DE19608074A1

DE19608074A1 - Method for welding

Info

Publication number: DE19608074A1
Application number: DE19608074A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dr Ing Beyer; Christian Dipl Ing Koerber; Jan Christoph Dipl I Neuenhahn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-03-02
Filing date: 1996-03-02
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2016-03-03
Also published as: DE19608074C2

Abstract

The method concerns welding of workpieces (10) displaced relative to welding energy sources. These sources comprise at least one high-energy radiation source (11) such as a laser producing a weld seam (12) via formation of a vapour capillary (13), and at least one other energy source (14) producing an electric arc (16) which simultaneously lands within the weld zone (15). During welding the two energy sources are kept apart so that the arc (16) lands either within the joint region heated by the high-energy radiation and not cooled down to the surrounding temperature, or within the joint region not yet undergone welding.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen von relativbewegten Werkstücken, bei dem mindestens eine erste Schweißenergiequelle verwendet wird, nämlich eine Hochenergiestrahlungsquelle, beispielsweise ein Laser, welche die Schweißnaht unter Ausbildung einer Dampfkapillaren er zeugt, bei dem mindestens eine zweite Schweißenergiequelle verwendet wird, nämlich eine Lichtbogeneinrichtung, deren Lichtbogen im Schweißbereich des Werkstücks fußt, und bei dem das Schweißen unter gleichzeitiger Einwirkung von Energie aus beiden Schweißenergiequellen erfolgt.The invention relates to a method for Welding of relatively moving workpieces, in which at least a first source of welding energy is used, namely one High energy radiation source, for example a laser, which the weld seam with the formation of a steam capillary testifies at least one second welding energy source is used, namely an arc device whose Arc in the welding area of the workpiece, and in the welding with simultaneous exposure to energy both welding energy sources.

Beim Schweißen mit Hochenergiestrahlung kommen als Schweißenergiequellen vornehmlich kommerziell erhältliche La ser zum Einsatz. Deren hohe Energiedichte hat ein großes Schachtverhältnis zur Folge, also eine große Nahttiefe bei zugleich geringer Nahtbreite, sowie hohe Temperaturgradien ten. Mit den heute verfügbaren Strahlquellen können Grobble che mit Dicken bis zu 25 mm unter Ausnutzung des Tiefschweiß effekts einlagig verschweißt werden. Bei speziellen Nähten bedarf es einer sorgfältigen Nahtvorbereitung, z. B. beim Schweißen von I-Stößen. Häufig ist es beim Schweißen von Ble chen mit insbesondere größeren Dicken erforderlich, Zusatz werkstoff einzusetzen und/oder besondere Strahlformung durch zuführen, z. B. Twin-Spot- oder elliptische Strahlformung, um die Nahtgeometrie in engen Grenzen beeinflussen zu können. Hierdurch sinken jedoch die Einbrandtiefe bzw. die Schweißge schwindigkeit. When welding with high energy radiation come as Welding energy sources primarily commercially available La water for use. Their high energy density has a large one The shaft ratio results in a large seam depth at the same time narrow seam width and high temperature gradients With the beam sources available today, Grobble surface with a thickness of up to 25 mm using deep welding effect welded in one layer. With special seams careful seam preparation is required, e.g. B. at I-butt welding. It is common when welding ble Chen with a particularly large thickness required, additive use material and / or special beam shaping by feed, e.g. B. twin spot or elliptical beam shaping to be able to influence the seam geometry within narrow limits. However, this reduces the penetration depth or the weld dizziness.

Zum Schweißen von Grobblechen ist es auch allgemein be kannt, Lichtbogenschweißverfahren einzusetzen. Diese Verfah ren sind durch eine vergleichsweise geringe Energiedichte ge kennzeichnet, woraus breite Nähte mit geringer Einbrandtiefe resultieren. Es ist ein hoher Energieeintrag die Regel, der jedoch thermischen Verzug zur Folge hat, der nur durch an schließendes, meist manuelles Richten kompensiert werden kann.It is also generally used for welding heavy plates knows how to use arc welding processes. This procedure Ren are due to a comparatively low energy density indicates from which wide seams with low penetration depth result. It is the rule that high energy input however, thermal distortion results, which can only be caused by closing, mostly manual straightening can be compensated can.

Des weiteren ist es allgemein bekannt, das Laserstrahl schweißen mit dem Lichtbogenschweißen derart zu kombinieren, daß beide eine gemeinsame Prozeßzone benutzen, wobei der Lichtbogen in der Dampfkapillaren der Laserstrahlung fußt. Hierbei müssen jedoch besondere Maßnahmen getroffen werden, um zu erreichen, daß die Energieeinkopplung in dieselbe Pro zeßzone gewährleistet bleibt. Diese bekannten Koppelverfahren sollen die Vorschubgeschwindigkeit bzw. die Einschweißtiefe beim Schweißen erhöhen. Die vorgenannten, allgemein bekannten Koppelverfahren werden mit den eingangs genannten Verfahrens schritten durchgeführt.Furthermore, the laser beam is generally known to combine welding with arc welding in such a way that both use a common process zone, the Arc is trapped in the vapor capillaries of the laser radiation. However, special measures must be taken here to ensure that the energy coupling into the same Pro zeßzone remains guaranteed. This known coupling method the feed rate or the welding depth increase when welding. The aforementioned, generally known Coupling procedures are with the procedures mentioned above steps carried out.

Bei dem vorerwähnten Koppelverfahren ist durch die Be dingung einer gemeinsamen Prozeßzone eine hinsichtlich Kerb wirkung günstige Nahtgeometrie nur bedingt einstellbar. Bei spielsweise ergeben sich Nahtquerschnittsgestaltungen, die eine erhöhte oder vergleichsweise große Kerbwirkung ausüben. Derartige Kerbwirkungen wirken sich insbesondere bei dynami scher Belastung des Werkstücks ungünstig auf die Dauer- bzw. Betriebsfestigkeit aus.In the aforementioned coupling process, the Be condition of a common process zone one with regard to notch effect favorable seam geometry can only be adjusted to a limited extent. At for example, there are seam cross-sectional designs that exert an increased or comparatively large notch effect. Such notch effects are particularly effective with dynami shear loading of the workpiece unfavorably on the permanent or Fatigue strength.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten so zu verbessern, daß die von beiden Schweißenergiequellen einge brachte Energie im Sinne einer Verbesserung der Betriebsfe stigkeit der Schweißverbindung eingesetzt werden kann. Es soll ein Schweißen in einer Wärme erfolgen, ohne daß Wechsel wirkungen im Prozeßbereich der beiden Schweißenergiequellen auftreten. The invention is therefore based on the object, a Ver proceed with the process steps mentioned at the beginning improve that turned on by both welding energy sources brought energy in the sense of an improvement of the company stability of the welded joint can be used. It welding should take place in a warm place without changing effects in the process area of the two welding energy sources occur.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die beiden Schweißenergiequellen derart abstandsgesteuert werden, daß der Lichtbogen außerhalb der Dampfkapillaren, aber in dem noch nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlten Wärmeeinwir kungsbereich der Hochenergiestrahlung oder in dem noch nicht verschweißten Fugenbereich der Werkstücke fußt.This problem is solved in that the two Distance energy sources are controlled in such a way that the arc outside the vapor capillaries, but in that heat not yet cooled to ambient temperature range of high energy radiation or not yet welded joint area of the workpieces.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß von dem Grundsatz abgewichen wird, der Lichtbogen und die Hochenergiestrahlung bzw. die Laserstrahlung sollten möglichst an ein und dersel ben Stelle des Werkstücks wirken und dort ihre Energie in ei ne gemeinsame Prozeßzone in das Werkstück einkoppeln. Viel mehr ist es für die Erfindung von Bedeutung, daß dies gerade nicht geschieht, obwohl natürlich auch bei dem hier vorlie genden Verfahren der Lichtbogen im Schweißbereich des Werk stücks fußt, also in demjenigen Werkstücksbereich, der von der Hochenergiestrahlung beaufschlagt wird. Demzufolge ist zwischen den Auftreffstellen der Energieüberträger der beiden Schweißenergiequellen, nämlich der Hochenergiestrahlung ei nerseits und dem Lichtbogen andererseits, ein Abstand, der nicht unterschritten werden darf. Andererseits sollte der Ab stand nicht so groß sein, daß das Werkstück mit der zweiten Hochenergiestrahlungsquelle erst dann bearbeitet wird, wenn es wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Infolgedes sen wird das Verfahren in einer Wärme durchgeführt. Das er höht die Prozeßeffizienz durch Senkung der Wärmeleitungsver luste im Bauteil. Dieser Einsatz zweier voneinander unabhän giger Prozesse bringt eine erhöhte Flexibilität mit sich. Beispielsweise kann infolgedessen die Nahtgeometrie durch das Lichtbogenschweißen eingestellt werden. Etwa im Sinne einer verbesserten Betriebsfestigkeit des geschweißten Werkstücks. Auch die Prozeßregelung ist auf andere Weise möglich. Bei spielsweise kann die durch die erste Schweißenergiequelle hergestellte Naht überwacht werden. Entsprechend dem Überwa chungsergebnis wird die nachfolgende Prozeßregelung unter schiedlich durchgeführt, z. B. in Abhängigkeit von der Ermitt lung von Schweißfehlern, wie Nahteinfall. Im Fall einer spaltbehafteten Kantenvorbereitung können das Fehlvolumen der Lasernaht und evtl. Einbrandkerben kompensiert werden. It is essential for the invention that of the principle is deviated, the arc and high energy radiation or the laser radiation should if possible on one and the same act on the workpiece and there its energy in an egg Couple a common process zone into the workpiece. A lot it is more important for the invention that this is precisely the case does not happen, although of course this is also available here arc processes in the welding area of the plant piece based, that is in the workpiece area that of the high-energy radiation is applied. As a result between the points of contact of the energy carriers of the two Welding energy sources, namely high energy radiation on the other hand and the arc on the other hand, a distance that must not be undercut. On the other hand, the Ab was not so large that the workpiece with the second High energy radiation source is only processed when it has cooled back to ambient temperature. As a result The process is carried out under heat. That he increases the process efficiency by reducing the heat conduction lusts in the component. This use of two independent of each other processes brings increased flexibility. For example, the seam geometry can be determined by the Arc welding can be set. In the sense of one improved operational strength of the welded workpiece. Process control is also possible in other ways. At for example, by the first welding energy source manufactured seam are monitored. According to the supervision result is the following process control under performed differently, e.g. B. depending on the determ development of welding defects, such as seam incidence. In the case of one Gaped edge preparation can make up for the missing volume Laser seam and any penetration notches can be compensated.

Das Verfahren kann vorteilhafterweise so durchgeführt werden, daß der Lichtbogen abstandsgesteuert im Schmelzbad fußt. Beim Schweißen mit Hochenergiestrahlung bzw. mit Laser strahlung hat das Schmelzbad in Vorschubrichtung des Werk stücks meist eine erhebliche Erstreckung. Infolgedessen kann der Lichtbogen in das Schmelzbad eingekoppelt werden, ohne daß es dadurch zu einem Fußen des Lichtbogens in der Dampfka pillaren des Werkstücks kommt. Andererseits ist der Energie verlust bei diesem Verfahren besonders gering, weil die Wär meleitungsverluste im Bauteil besonders klein gehalten werden können.The method can advantageously be carried out in this way be that the arc is distance controlled in the weld pool based. When welding with high energy radiation or with laser The melt pool has radiation in the feed direction of the plant mostly a considerable extent. As a result the arc can be coupled into the weld pool without that there is a foot of the arc in the Dampfka pillaren of the workpiece is coming. On the other hand, there is energy loss in this process is particularly low because the heat line losses in the component can be kept particularly small can.

Eine sehr zweckmäßige Verfahrensvariante besteht darin, daß die Hochenergiestrahlungsquelle eine Teil- oder Vollver bindung zweier Werkstückteile besorgt, und ein Verschweißen nur eines Oberflächenbereichs der Naht mittels Lichtbogens durchgeführt wird. Insbesondere hierbei ist eine wunschgemäße Einstellung der Nahtgeometrie möglich. Beispielsweise kann die Nahtgeometrie so gestaltet werden, daß die aus der Schweißverbindung resultierende Kerbwirkung minimiert wird. Die geringe Energiedichte des Lichtbogens hat einen breiten Prozeßbereich zur Folge, durch den die Nahtoberseite anforde rungsgerecht modelliert werden kann, beispielsweise im Sinne einer Hohlnaht, einer Flachnaht oder ein Wölbnaht.A very expedient process variant consists in that the high energy radiation source is a partial or full ver concerned about the binding of two workpiece parts, and welding only one surface area of the seam by means of an arc is carried out. In particular, this is a desired one Adjustment of the seam geometry possible. For example the seam geometry are designed so that the from the The resulting weld notch effect is minimized. The low energy density of the arc has a broad one Process area through which the seam top request can be modeled appropriately, for example in the sense a hollow seam, a flat seam or an arch seam.

Vorteilhaft ist es, das Verfahren so durchzuführen, daß beim Verschweißen mittels Lichtbogens Zusatzwerkstoff verwen det wird. Der Zusatzwerkstoff aus z. B. abschmelzender Draht elektrode ermöglicht es, große Werkstoffmengen in vorbestimm ten Abschnitten des Schweißbereichs des Werkstücks anzula gern. Auch wenn vorrangig auf die Möglichkeit des einlagigen Schweißens abgezielt wird, ist ein solches Anlagern von Zu satzwerkstoff ist jedoch auch mehrlagig möglich. In diesem Fall werden die zuvor verschweißten Lagen durch den Laser strahl in hohem Maße aufgeschmolzen und dadurch vergütet. Sanfte und kerbarme Übergänge zwischen im Winkel zueinander angeordneten Oberflächen der Werkstücke werden ermöglicht.It is advantageous to carry out the method in such a way that Use filler material when welding with an arc det. The filler material from z. B. melting wire Electrode enables large quantities of material to be predetermined sections of the welding area of the workpiece gladly. Even if primarily on the possibility of single-layer Welding is aimed at such an investment Compound material is, however, also possible in multiple layers. In this Fall the previously welded layers by the laser beam melted to a high degree and thereby tempered. Smooth and notchy transitions between at an angle to each other arranged surfaces of the workpieces are made possible.

Der Einsatz der Schweißenergiequellen ist sehr flexibel möglich. Beispielsweise kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß die Hochenergiestrahlung von der einen Werkstück seite das Werkstück durchschweißt, und daß der Lichtbogen auf der anderen Werkstückseite einwirkt. Hierbei wird insbesonde re ausgeschlossen, daß sich oberhalb desselben Oberflächenbe reichs benachbarte ionisierte Volumina gegenseitig beeinflus sen. Das ist nicht auszuschließen, wenn diese Volumina so stark ionisiert sind, so daß sich der Lichtbogen zum Laser strahl hinzieht, so daß er bzw. sein Fußpunkt zur Vermeidung eines Zusammenfallens der Prozeßzonen von der Dampfkapillaren weiter entfernt gehalten werden muß. Derartiges wird ausge schlossen, wenn die Hochenergiestrahlung auf der einen Werk stückseite und der Lichtbogen auf der anderen Werkstückseite angewendet werden, wenn im Wurzelbereich der Laserstrahl schweißung kein Plasma auftritt.The use of welding energy sources is very flexible possible. For example, the method can be carried out in this way that the high energy radiation from the one workpiece side welded through the workpiece, and that the arc on the other side of the workpiece. Here in particular re excluded that above the same surface area neighboring ionized volumes influence each other sen. That cannot be ruled out if these volumes are like this are strongly ionized, so that the arc to the laser beam pulls so that he or his base to avoid a collapse of the process zones from the steam capillaries must be kept further away. This is what happens closed when the high energy radiation on one plant piece side and the arc on the other side of the workpiece be used when the laser beam is in the root area welding no plasma occurs.

Weitere Verfahrenskombinationen werden dadurch erreicht, daß beidseitig mittels Hochenergiestrahlung und/oder mittels Lichtbogens geschweißt wird. Beidseitiges Schweißen mittels Hochenergiestrahlung ist das sogenannte Simultan-Schweißen, das durch die Vereinigung der beiden Dampfkapillaren defi niert ist, wobei im Vergleich zum herkömmlichen, einstrahli gen Schweißen entsprechend größere, praktisch doppelt so große Werkstückdicken einlagig geschweißt werden können. Das Schweißen mit beidseitigem Lichtbogen vergrößert den Energie eintrag entsprechend bzw. ermöglicht es, zwei Schweißnähte gleichzeitig zu bearbeiten, z. B. beim Simultan-Schweißen eines T-Stoßes. Dabei versteht es sich, daß auch solche Ver fahrenskombinationen durchgeführt werden können, bei denen auf einer Werkstückseite mit Hochenergiestrahlung geschweißt wird, bei beidseitigem Lichtbogen, wie auch simultanes Hoch energiestrahlschweißen mit einseitigem Lichtbogen.Further process combinations are achieved that on both sides by means of high energy radiation and / or by means of Arc is welded. Double-sided welding using High energy radiation is the so-called simultaneous welding, defi by the union of the two steam capillaries is niert, compared to the conventional, einstrahlli against welding correspondingly larger, practically twice as much large workpiece thicknesses can be welded in one layer. The Welding with a double-sided arc increases energy Entry accordingly or enables two welds edit at the same time, e.g. B. in simultaneous welding of a T-joint. It goes without saying that such ver driving combinations can be carried out in which welded on one side with high energy radiation is, with double-sided arc, as well as simultaneous high energy beam welding with one-sided arc.

Um das Verfahren zu optimieren, wird es so durchgeführt, daß die Position der Dampfkapillaren und die Position des Fußpunktes des Lichtbogens an der Oberfläche des Werkstücks meßtechnisch ermittelt werden, und daß das Meßergebnis von einer Prozeßregelung dazu benutzt wird, einen vorbestimmten Abstand konstant zu halten. Die meßtechnische Ermittlung des Abstandes zwischen der Position der Dampfkapillaren und der Position des Fußpunktes des Lichtbogens ermöglicht eine Auto matisierung des Verfahrens, insbesondere auch bei sich än dernden Verfahrensparametern. Sich ändernde Werkstückdicke oder Änderung in der Formgebung der Werkstücke können dazu führen, daß der in Rede stehende Abstand geändert werden muß. Eine automatische Änderung unter Einschaltung einer Prozeßre gelung führt zu Vorteilen bei der Produktion mit dem Verfah ren. Beispielsweise ist das Verfahren weniger abhängig von sich ändernden Geometrien der Werkstücke und/oder es kann schneller bei geringerem Störungsrisiko geschweißt werden.In order to optimize the process, it is carried out in such a way that the position of the steam capillaries and the position of the Base of the arc on the surface of the workpiece be determined by measurement, and that the measurement result of a process control is used to determine a predetermined one Keep the distance constant. The metrological determination of the Distance between the position of the steam capillaries and the Position of the base of the arc enables a car automation of the process, especially in itself changing process parameters. Changing workpiece thickness or change in the shape of the workpieces can do this cause that the distance in question must be changed. An automatic change with the involvement of a process Success leads to advantages in production with the process ren. For example, the process is less dependent on changing geometries of the workpieces and / or it can welded faster with less risk of malfunction.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß zwei zweite, als Lichtbogeneinrichtungen ausgebildete Schweißener giequellen verwendet werden, von denen mit der einen Zusatz werkstoff in die noch nicht verschweißte Fuge eingebracht wird und von denen der Lichtbogen der anderen in dem noch nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlten Wärmeeinwirkungsbe reich der Hochenergiestrahlung fußt. Diese Verfahrensvariante kann insbesondere bei größeren Spalten eingesetzt werden. Der vorlaufende Lichtbogenprozeß bringt Zusatzwerkstoff so in die Fuge ein, daß die nachfolgende Hochenergiestrahlung bzw. La serstrahlung stets mit Material wechselwirkt und dadurch eine ununterbrochene Ausbildung der Dampfkapillaren sichergestellt ist. Außerdem erfolgt durch die zusätzliche Energieeinkopp lung eine Vorwärmung. Der der Hochenergiestrahlung nachlau fende Lichtbogenprozeß kann dem weiteren Auffüllen der Fuge bzw. der Einstellung des gewünschten a-Maßes dienen.The process can be carried out so that two second welders trained as arcing devices Energy sources are used, of which with an additive material inserted into the not yet welded joint and of which the arc of the other is still in the heat exposure not cooled to ambient temperature rich in high energy radiation. This process variant can be used especially for larger gaps. Of the leading arc process brings filler material into the Insert that the subsequent high energy radiation or La radiation always interacts with material and thereby creates a continuous formation of the steam capillaries ensured is. In addition, there is additional energy input preheating. High energy radiation aftermath fende arc process can further fill the joint or to set the desired a dimension.

Insbesondere die vorbeschriebene Verfahrensvariante kann derart ausgestaltet werden, daß die eine, im noch nicht ver schweißten Bereich der Fuge wirkende zweite Schweißenergie quelle mit einem Bearbeitungskopf der Hochenergiestrahlungs quelle oder mit der anderen zweiten Schweißenergiequelle starr gekoppelt wird, wobei die Abstandssteuerung zwischen einer der zweiten Schweißenergiequellen und der die Dampfka pillare ausbildenden ersten Schweißenergiequelle wirkt. Bei der Koppelung muß durch entsprechende Abstandsbemessung si chergestellt werden, daß durch den eingebrachten Zusatzwerk stoff keine Nahtüberhöhung erzeugt wird. Weiterhin muß der Abstand zwischen dem vorlaufenden, also im Bereich der noch nicht verschweißten Fuge wirkenden Lichtbogen und der Dampf kapillaren ausreichend groß sein, um ein Zuschütten dieser Dampfkapillaren durch das relativ vorlaufende Schmelzbad aus zuschließen.In particular, the method variant described above can be designed so that the one, not yet ver welded area of the joint acting second welding energy source with a processing head of high energy radiation source or with the other second welding energy source is rigidly coupled, the distance control between one of the second sources of welding energy and that of the Dampfka pillare training first welding energy source acts. At the coupling must si by appropriate distance measurement be made that by the introduced additional work no seam overhang is produced. Furthermore, the Distance between the leading one, i.e. in the area of the still non-welded joint-acting arc and the steam capillaries be large enough to spill this Steam capillaries through the relatively leading melt pool close.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbespielen näher erläutert. Es zeigt:The invention is based on Darge in the drawing put execution examples explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schweißen gemäß der Erfindung, und Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for performing the method for welding according to the invention, and

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Werkstück, wobei zwei Werkstückteile im Sinne eines T-Stoßes miteinander zu verschweißen sind. Fig. 2 shows a cross section through a workpiece, wherein two workpiece parts are to be welded together in the sense of a T-joint.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Werkstück 10, eine erste Schweißenergiequelle 11 und eine zweite Schweißenergiequelle 14. Das Werkstück 10 ist ein Grobblech, das in Bezug auf die Schweißenergiequellen 11, 14 entsprechend den Koordinaten x, y und z angeordnet ist. Mit Bezug auf die Fokussieroptik der Schweißenergiequelle 11 ist eine Rotati onsachse ϕ angegeben, die mit der Z-Koordinatenachse zusam menfallen soll. Die Schweißenergiequelle 11 wird durch einen Fokussierspiegel 20 symbolisiert, der Bestandteil einer Optik eines Bearbeitungskopfs der Schweißenergiequelle 11 ist. Mit dem Fokussierspiegel 20 wird Hochenergiestrahlung 17, nämlich Laserstrahlung auf das Werkstück 10 fokussiert. Dabei wird so verfahren, daß sich eine Dampfkapillare 13 ausbildet, was bei Überschreiten der material- und werkstoffspezifischen kriti schen Schwellintensität erfolgt. Das Werkstück 10 wird rela tiv zur Hochenergiestrahlung 17 in der Richtung des Pfeils 29 mit der Relativgeschwindigkeit v_s bewegt, so daß sich eine Schmelzfront 21 ausbildet, die infolge der Bewegung des Werk stücks 10 vergleichsweise schmal ist, während das Schmelzbad bzw. die Schmelzbadschleppe 18 hinter der Dampfkapillaren 13 vergleichsweise voluminös ist und sich insbesondere in Rich tung auf die Werkstückoberfläche 22 vergrößert. Der schraf fiert dargestellte Bereich 12 des Werkstücks 10 kennzeichnet die Schweißnaht nach dem Erstarren der Schmelze. Fig. 1 shows a schematic representation of a workpiece 10, a first welding power source 11 and a second welding power source 14. The workpiece 10 is a heavy plate, which is arranged in relation to the welding energy sources 11 , 14 in accordance with the coordinates x, y and z. With respect to the focusing optics of the welding energy source 11 , a rotation axis ϕ is specified which is to coincide with the Z coordinate axis. The welding energy source 11 is symbolized by a focusing mirror 20 , which is part of an optical system of a processing head of the welding energy source 11 . With the focusing mirror 20 , high-energy radiation 17 , namely laser radiation, is focused on the workpiece 10 . The procedure is such that a steam capillary 13 forms, which occurs when the material-specific critical critical intensity threshold is exceeded. The workpiece 10 is rela tively to the high-energy radiation 17 in the direction of arrow 29 at the relative speed v _s , so that a melt front 21 is formed, which is comparatively narrow due to the movement of the workpiece 10 , while the melt pool or the melt pool train 18th behind the steam capillaries 13 is comparatively voluminous and increases in particular in the direction of the workpiece surface 22 . The hatched area 12 of the workpiece 10 identifies the weld after the melt solidifies.

Außer der ersten Schweißenergiequelle 11 ist eine zweite Schweißenergiequelle 14 vorhanden, nämlich eine Lichtbogen schweißeinrichtung. Es ist symbolisch lediglich eine Halte rung 23 für einen Brenner 24 dargestellt, mit dem Schutzgas in den Bereich der Elektrode 25 geblasen wird, von der ein Lichtbogen 16 ausgeht, der einen Fußpunkt 16′ auf der Werk stückoberfläche 22 aufweist. Der Lichtbogen 16 fußt im Schmelzbad 18. Es ist aber auch möglich, ihn außerhalb des Schmelzbades 18 fußen zu lassen, beispielsweise in der dop pelten in Fig. 1 dargestellten Entfernung von der Dampfkapil laren 13, die infolge der Fokussierung der Hochenergiestrah lung 17 ausgebildet wird. In diesem in der Richtung des Pfeils gelegenen Bereich ist die Schmelze bzw. der Nahtwerk stoff zwar bereits erstarrt, jedoch noch nicht auf Umgebungs temperatur abgekühlt. Es ist also nur eine vergleichsweise geringe Energie notwendig, um den Nahtbereich auch hier wie der aufzuschmelzen und die Nahtquerschnittsgeometrie zu be einflussen. Auch hier findet also noch ein Schweißen in einer Wärme statt. Andererseits versteht es sich, daß sich eine hö here Prozeßeffizienz infolge geringerer Wärmeleitungsverluste ergibt, wenn der Lichtbogen 16 den Fußpunkt 16′ im Bereich des Schmelzbades 18 hat. Allerdings ist hier die Gefahr größer, daß der Fußpunkt 16′ unerwünschterweise in Richtung auf die Dampfkapillare 16 wandert, beispielsweise durch elektro magnetische und/oder thermische Effekte oberhalb der Werk stückoberfläche 22; denn beim praktischen Schweißbetrieb sind die in Fig. 1 ersichtlichen Abmessungen anders, z. B. wegen größerer Elektroden/Lichtbogenabmessungen u. dgl.In addition to the first welding energy source 11, there is a second welding energy source 14 , namely an arc welding device. It is symbolically shown only a holding tion 23 for a burner 24 , with which protective gas is blown into the region of the electrode 25 , from which an arc 16 originates, which has a base point 16 'on the workpiece surface 22 . The arc 16 is based in the weld pool 18 . But it is also possible to let him feet outside of the weld pool 18 , for example in the double shown in Fig. 1 distance from the Dampfkapil laren 13 , which is formed as a result of focusing the high energy radiation 17 . In this area in the direction of the arrow, the melt or the seam material has already solidified, but has not yet cooled to ambient temperature. It is therefore only a comparatively small amount of energy that is required to melt the seam area here again and to influence the seam cross-section geometry. Here, too, welding is still carried out in warmth. On the other hand, it goes without saying that there is a higher process efficiency as a result of lower heat conduction losses when the arc 16 has the base point 16 'in the region of the melting bath 18 . However, here the risk is greater that the base point 16 'undesirably migrates in the direction of the steam capillary 16 , for example due to electromagnetic and / or thermal effects above the workpiece surface 22 ; because in practical welding operation the dimensions shown in FIG. 1 are different, e.g. B. because of larger electrodes / arc dimensions u. the like

Es besteht also die Notwendigkeit, den Abstand Δx zwi schen den beiden Schweißenergiequellen bzw. zwischen der Po sition der Dampfkapillaren 13 und der Position des Fußpunktes 16′ des Lichtbogens 16 meßtechnisch zu ermitteln. Für die meßtechnische Ermittlung ist gemäß Fig. 1 eine Meßeinrichtung 26 vorhanden, die zweckmäßigerweise an dem Fokussierspiegel 20 bzw. an dessen nicht dargestellter Halterung angebracht ist. Diese Meßeinrichtung 26 liefert als Meßergebnis bei spielsweise die Ist-x-Koordinaten x_1i und x_2i für die Position der Dampfkapillaren 13 bzw. für die Position des Fußpunktes 16′ des Lichtbogens 16. Diese Ist-Koordinaten werden je in einen Vergleicher 28₁ und 28₂ eingegeben, der sie mit Soll-Koordinaten x_1S bzw. x_2S vergleicht. Der Vergleich folgt durch Differenzbildung, wie durch die angegebenen Mi nuszeichen ersichtlich ist. Etwaige Differenzen werden der Prozeßregelung 19 zugeführt, welche Einfluß auf einen Stell mechanismus für die Schweißenergiequellen 11, 14 nimmt, bis die ermittelte Differenz null ist. Das wird in Fig. 1 durch die Stellgrößen x₁ und x₂ angedeutet. x₁ bestimmt die Position der Dampfkapillaren 13 in x-Richtung und x₂ bestimmt die Po sition des Auftreffpunktes des Lichtbogens 16 in x-Richtung. Dabei gilt x₁ = Δx + x₂. Die Regelung 19 greift ein, wenn das durch die Sollwerte x_1S und x_2S bestimmte Dx von einer vorbe stimmten Größe abweicht, weil sonst entweder die Gefahr be steht, daß sich die Prozeßbereiche der Hochenergiestrahlung 17 und des Lichtbogens 16 vermischen, oder daß die Dampfka pillare 13 und der Fußpunkt 16′ zu weit auseinandergeraten und damit die Prozeßeffizienz insgesamt beeinträchtigt wird bzw. der Fußpunkt 16′ nicht mehr auf der vorbestimmten Schweißnaht 12 verläuft.So there is a need to measure the distance Δx between the two welding energy sources or between the position of the steam capillaries 13 and the position of the base point 16 'of the arc 16 . For the metrological determination of a measurement device 1 26 is shown in FIG. Yet mounted conveniently on the focusing mirror 20 or to its holder, not shown. This measuring device 26 provides the measurement result for example, the actual x coordinates x _1i and x _2i for the position of the steam capillaries 13 and for the position of the base point 16 'of the arc 16th These actual coordinates are entered into a comparator 28 ₁ and 28 ₂, which compares them with target coordinates x _1S or x _2S . The comparison follows by forming the difference, as can be seen from the minus signs indicated. Any differences are fed to process control 19 , which influences an actuating mechanism for welding energy sources 11 , 14 until the difference determined is zero. This is indicated in Fig. 1 by the manipulated variables x₁ and x₂. x₁ determines the position of the steam capillaries 13 in the x direction and x₂ determines the position of the point of incidence of the arc 16 in the x direction. X₁ = Δx + x₂. The control 19 intervenes when the Dx determined by the setpoints x _1S and x _2S deviates from a predetermined size, because otherwise there is either the risk that the process areas of the high-energy radiation 17 and the arc 16 mix, or that the Dampfka pillare 13 and the base 16 'are too far apart and the overall process efficiency is impaired or the base 16 ' no longer runs on the predetermined weld 12 .

Die Prozeßregelung 19 wurde lediglich für die x-Koordi naten beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß eine entspre chende Regelung für die y-Koordinate vorhanden sein kann bzw. auch im Hinblick auf die ϕ-Achse vorhanden sein muß. Infolge dessen kann erreicht werden, daß der Lichtbogen 16 stets auf die Schweißnaht 12 an der gewünschten Stelle einwirkt bzw. an der Stelle, die für die Nahtformung von Bedeutung ist. Auch die Strahlformung oder die Zusatzdrahtmenge können entspre chend angepaßt werden.The process control 19 has been described only for the x-coordinate. However, it goes without saying that a corresponding regulation for the y coordinate can be present or must also be present with regard to the ϕ axis. As a result, it can be achieved that the arc 16 always acts on the weld seam 12 at the desired location or at the location which is important for the seam formation. The beam shaping or the amount of additional wire can be adjusted accordingly.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie ein Werkstück 10 aus zwei Werkstückteilen 10′, 10′′ hergestellt wird. Die Werkstückteile 10′, 10′′ sind im T-Stoß angeordnet, wobei 10′′ den Flansch und 10′ den Steg bildet. Das Fügen dieses T-Stoßes erfolgt beispielsweise zunächst durch simultanes Laserstrahlschweißen, d. h. von beiden Seiten des Werkstückteils 10′ und der stegseitigen Seite des Werkstückteils 10′. Es wird mit Laser strahlung die von der einen Seite des Stegs auf die andere Seite durchgehende Lasernaht 12′ hergestellt. Die vergleich weise große Einbrandtiefe gewährleistet, daß die beiden Werk stückteile 10′, 10′′ über die gesamte Breite des Werkstück teils 10′ voll miteinander verbunden sind. Hierbei kann, da ohne oder unter Einsatz einer nur geringen Menge an Zusatz werkstoff gearbeitet wurde, der Übergang zwischen Grundwerk stoff und Schweißnaht selbst bei fehlerfreier Nahtausführung eine hohe geometrische Kerbwirkung erzeugen. Infolgedessen wird anschließend an das Laserschweißen ein Lichtbogen schweißen durchgeführt, und zwar simultan auf beiden Seiten. Es wird ein nachlaufender Metall-Schutzgas-Prozeß durchge führt, bei dem Zusatzwerkstoff gleichzeitig in einem der ge genüberliegenden Bereichen des T-Stoßes aufgetragen wird. In folgedessen wird der dargestellte sanfte und kerbarme Über gang mit geringen Nahtanstiegswinkeln zwischen Steg und Flansch bzw. den Werkstückteilen 10′, 10′′ erzeugt. Dabei er höht das Schweißen in einer Wärme die Einbrandtiefe des Lichtbogenschweißprozesses, der das Gefüge der Lasernaht 12′ teilweise wieder aufschmilzt bzw. vergütet. Die strukturelle und geometrische Kerbwirkung wird jeweils verringert. Ande rerseits werden die Oberflächenbereiche 22′ der Naht, nämlich der Lichtbogenschweißnaht 12′ in den Werkstückteilen 10′, 10′′ vergleichweise flach gehalten. Die Eindringtiefe des Lichtbo gens 16 ist nur gering. Seine Energie wird in erster Linie zum Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes benötigt. Infolgedes sen ist das a-Maß vergleichsweise groß, also der Abstand der Oberfläche der Lichtbogenschweißnaht 12′′ von dem Eckpunkt bzw. der Ecklinie der aneinanderstoßenden Oberflächen der Werkstückteile 10′, 10′′. Die solchermaßen erzeugte Naht ver bindet die Vorteile des Laserstrahlschweißens, nämlich den einlagigen Vollanschluß bei nur geringer Wärmeeinbringung, mit denen einer lichtbogengeschweißten Naht, insbesondere dem sanften Übergang zwischen Steg und Flansch, der durch ein hohes a-Maß sichergestellt wird.In Fig. 2 it is shown how a workpiece 10 is made from two workpiece parts 10 ', 10 ''. The workpiece parts 10 ', 10 ''are arranged in a T-joint, 10 ''forming the flange and 10 ' the web. This T-joint is first joined, for example, by simultaneous laser beam welding, ie from both sides of the workpiece part 10 'and the web side of the workpiece part 10 '. It is made with laser radiation from one side of the web to the other side continuous laser seam 12 '. The comparably large penetration depth ensures that the two work piece parts 10 ', 10 ''over the entire width of the workpiece part 10 ' are fully connected. Here, since work was carried out without or using only a small amount of additional material, the transition between the base material and the weld seam can produce a high geometric notch effect even when the seam is executed without errors. As a result, an arc welding is carried out after the laser welding, simultaneously on both sides. There is a trailing metal shielding gas process is carried out, is applied to the filler material simultaneously in one of the ge opposite areas of the T-joint. As a result, the illustrated gentle and notchy transition is generated with low seam rise angles between the web and flange or the workpiece parts 10 ', 10 ''. He increases the heat in the penetration depth of the arc welding process, which partially melts or re-melts the structure of the laser seam 12 '. The structural and geometric notch effect is reduced in each case. On the other hand, the surface areas 22 'of the seam, namely the arc weld 12 ' in the workpiece parts 10 ', 10 ''are kept relatively flat. The depth of penetration of the Lichtbo gene 16 is only small. Its energy is primarily needed to melt the filler metal. As a result, the a dimension is comparatively large, that is, the distance between the surface of the arc weld 12 '' from the corner or the corner line of the abutting surfaces of the workpiece parts 10 ', 10 ''. The seam produced in this way ver combines the advantages of laser beam welding, namely the single-layer full connection with little heat input, with which an arc-welded seam, in particular the smooth transition between web and flange, which is ensured by a high a-dimension.

Die erfindungsgemäße Durchführung des Verfahrens sorgt für einen insgesamt vergleichsweise geringen Energieeintrag. Dabei ist zum einen das Schweißen in einer Wärme von Vorteil, weil Wärmeverluste im Bauteil vermieden werden. Zum anderen können die Vorteile ausgenutzt werden, die sich dadurch erge ben, daß auf eine gemeinsame Prozeßzone verzichtet wird. Der geringe Energieeintrag auch beim Lichtbogenschweißen vermin dert den thermischen Verzug des Werkstücks, so daß zeit- und kostenintensive Richt- und Nacharbeiten entfallen, die grund sätzlich nicht mechanisierbar sind und im Stahl- und Schiffbau bis zu 25% des Gesamtstundenaufwandes ausmachen.The implementation of the method according to the invention ensures for a comparatively low energy input overall. On the one hand, welding in heat is advantageous, because heat losses in the component are avoided. On the other hand can take advantage of the benefits that result ben that there is no common process zone. Of the Reduce low energy input even with arc welding changes the thermal distortion of the workpiece, so that time and costly straightening and reworking are no longer necessary are not mechanisable and in steel and Shipbuilding accounts for up to 25% of the total hourly expenditure.

Ferner kann auch bei Einsatz beider Verfahren ein ferri tisch-perlitisches Gefüge im Schweißbereich des Werkstücks mit guten mechanisch-technologischen Eigenschaften einge stellt werden. Das Schweißen in einer Wärme erzeugt im Werk stück einen lokalen Wärmestau. Es ergeben sich Kosteneinspa rungen bei der Nahtvorbereitung, beim Schweißzusatzwerkstoff und bei der Nacharbeit. Gegebenenfalls können Nähte im I-Stoß vorbereitet werden, wobei mit dem Laser die Verbindung der Werkstückteile einlagig erzeugt werden kann und der Lichtbo gen nur im oberflächennahen Bereich eingesetzt wird. Die da bei erfolgende verfahrensgerechte Ausnutzung der verschiede nen Energiedichten hat außer dem Vorteil eines geringen Ener gieeintrags in das Werkstück auch den Vorteil, daß bedarfs weise nur ein geringer Verbrauch von Zusatzwerkstoff nötig ist.Furthermore, a ferri can also be used when both methods are used table-pearlitic structure in the welding area of the workpiece with good mechanical-technological properties be put. Welding in a heat generated in the factory piece of local heat build-up. This results in cost savings with the preparation of the seam, with the filler metal and in the rework. If necessary, seams in the I joint be prepared, using the laser to connect the Workpiece parts can be generated in one layer and the light bo is only used near the surface. The one there in the event of procedural use of the various has an energy density in addition to the advantage of a low energy gieentries in the workpiece also the advantage that needs only a low consumption of filler material is necessary is.

Die erfindungsgemäße aufeinanderfolgende Anordnung der Prozeßbereiche ist Voraussetzung für die neue Art der Prozeß regelung. Die Wärmestrahlung der zuerst geschweißten Naht kann optisch oder mittels Pyrodetektor für den nachfolgenden Prozeß genutzt werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, den Lichtbogen je nach Anstellung der beiden Verfahren zum Vor wärmen bzw. zum Nachwärmen einzusetzen, so daß der Lichtbogen dem Hochenergiestrahl im Vergleich zu Fig. 1 beispielsweise nachläuft.The sequential arrangement of the process areas according to the invention is a prerequisite for the new type of process control. The heat radiation of the first welded seam can be used optically or by means of a pyrodetector for the subsequent process. In principle, it is also possible to use the arc to warm up or to re-heat, depending on the setting of the two methods, so that the arc chases the high-energy beam in comparison to FIG. 1, for example.

Die Erfindung erhöht die Betriebsfestigkeit der Schweiß verbindung. Das gilt insbesondere dann, wenn die Fügezone mit Querschnittsänderungen des Bauteils einhergeht, wenn die Fü gezone also beispielsweise als Kehlnaht ausgebildet ist, und wenn das Bauteil im Betrieb dynamischen Belastungen ausge setzt ist. The invention increases the fatigue strength of sweat connection. This applies in particular if the joining zone is included Cross-sectional changes of the component goes hand in hand when the Fü gezone is formed, for example, as a fillet weld, and if the component is exposed to dynamic loads during operation sets is.

Als Hochenergiestrahlung kommt in erster Linie CO₂-La serstrahlung zum Einsatz, aber auch Nd : YAG-Strahlung mit Lichtleitfaser. Zur Erzeugung des Lichtbogens können die be kannten Lichtbogeneinrichtungen verwendet werden, wie Metall- Schutzgas-Schweißeinrichtungen, die beispielsweise im MIG-Prozeß arbeiten. Um die Werkstückteile zu handhaben bzw. um die Schweißenergiequellen zu handhaben, können alle bekannten Handhabungssysteme eingesetzt werden, wie CNC-gesteuerte Ti sche, Portale und Roboter.As high-energy radiation comes primarily CO₂-La radiation, but also Nd: YAG radiation Optical fiber. To generate the arc, the be known arc devices are used, such as metal Inert gas welding equipment, for example in MIG process work. To handle the workpiece parts or to to handle the welding energy sources can all known Handling systems are used, such as CNC-controlled Ti gates, portals and robots.

Claims

1. A method for welding relatively moving workpieces ( 10 ), in which at least one first welding energy source ( 11 ) is used, namely a high-energy radiation source, for example a laser, which produces the weld seam ( 12 ) with the formation of a steam capillary ( 13 ) the at least one second welding energy source ( 14 ) is used, namely an arc device, the arc of which is based in the welding area ( 15 ) of the workpiece ( 10 ), and in which the welding is carried out under the simultaneous action of energy from both welding energy sources ( 11 , 14 ) , characterized in that the two welding energy sources ( 11 , 14 ) are distance-controlled in such a way that the arc ( 16 ) outside the steam capillaries ( 13 ), either in the region of the high-energy radiation ( 17 ) that has not yet cooled to ambient temperature or in the still not welded joint area of the workpieces ( 10 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the arc ( 16 ) based on distance in the weld pool ( 18 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the high-energy radiation source provides a partial or full connection of two workpiece parts ( 10 ', 10 ''), and that welding only one surface area ( 22 ) of the seam ( 12 ) by means of an arc ( 16 ) is carried out.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that filler material is used for welding by means of an arc ( 16 ).

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized ge indicates that the high energy radiation from one Workpiece side welded through the workpiece, and that the Arc acts on the other side of the workpiece.

6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that on both sides by means of high energy radiation ( 17 ) and / or by means of an arc ( 16 ) is welded.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the position (x _1i ) of the steam _capillaries ( 13 ) and the position (x _2i ) of the base ( 16 ') of the arc ( 16 ) on the surface of the workpiece be measured technically, and that the measurement result is used by a process control ( 19 ) to keep a predetermined distance (Δx) constant.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that two second, as Lichtbogeneinrichtun gene trained welding energy sources ( 14 ) are used, one of which is introduced with a filler material in the not yet welded joint and of which the arc ( 16 ) the other in the not yet cooled down to ambient temperature range of high-energy radiation ( 17 ).

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the one acting in the not yet welded region of the joint second welding energy source ( 14 ) is rigidly coupled with a processing head of the high energy radiation source or with the other second welding energy source, wherein the distance control between one of the second welding energy sources ( 14 ) and the steam capillary ( 13 ) forming the first welding energy source ( 11 ) acts.