DE3600452A1

DE3600452A1 - Elektrisches hochfrequenzwiderstandsschweissverfahren unter verwendung einer bestrahlung mittels eines laserstrahles

Info

Publication number: DE3600452A1
Application number: DE19863600452
Authority: DE
Inventors: Hiroyo Haga; Katsuhiro Minamida; Nobuo Mizuhashi; Hideo Takafuji
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1985-01-10
Filing date: 1986-01-09
Publication date: 1986-07-17
Also published as: US4649256A; DE3600452C2; FR2575686B1; CA1245298A; KR860005674A; KR900002482B1; FR2575686A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung befaßt sich mit einem Widerstandsschweißverfahren unter Verwendung eines hochfrequenten Stroms zum Erwärmen der Ränder eines Werkstücks, um eine Schweißnaht zu erzeugen/ bei dem zu schweißende Stellen mit einem Laserstrahl während der fortgesetzten Erwärmung durch einen elektrischen Hochfrequenzstrom bestrahlt werden, so daß das Schweißen effizient basierend auf der Erwärmung mit Hilfe des hochfrequenten elektrischen Stroms und der Erwärmung mit Hilfe des Laserstrahles erfolgen kann.

Das Schweißen von Metallen ist ein Verfahren, das auf vielen Gebieten Anwendung gefunden hat und es sind verschiedene Schweißverfahren üblich. Beim Schweißen zur Herstellung von Rohren ist das Hochfrequenz-Schweißverfahren am weitesten verbreitet.

>'\ Das elektrische Hochfrequenzwiderstandsschweißen ist als ein Schweißverfahren mit hoher Schweißgeschwindigkeit und Produktivität bekannt, wenn man in allgemeiner Form ausgedrückt, elektrisch geschweißte Rohre herstellen möchte.

Beim Verfahren zum Herstellen geschweißter Rohre mit Hilfe des elektrischen Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahrens üblicher Art wird ein Stahlband zu einer rohrförmigen Gestalt mit Hilfe einer Reihe von Formwalzen geformt und die Ränder des zu einer rohrförmigen Gestalt geformten Bandes werden mit Hilfe eines Paares von Preßwalzen stumpf gegeneinander gelegt, so daß die Ränder eine Keilform bilden, die eine Spitze am Stoßende hat.

Eine Hochfrequenzspannung wird an einen Kontakt angelegt, der stromauf der Preßwalzen vorgesehen ist, um einen hoch-

frequenten Strom von diesem Kontakt zu einem weiteren Kontakt zu leiten/ so daß ein Hochfrequenzstrom längs den Rändern der Keilform fließen kann. Die Ränder werden durch den Hochfrequenzstrom erwärmt, bis der von der Spitze des Keiles gebildete, zu schweißende Punkt eine Schweißtemperatur erreicht, wenn der von den Preßwalzen angelegte Druck zur Bildung einer Schweißnaht einwirkt.

Die Qualität der auf diese Weise erzeugten Schweißnaht wird stark durch die Stärke des Schweißstroms beeinflußt. Wenn der Schweißstrom zu klein ist, haben die Ränder eine geringe Wärmezufuhr, so daß sich eine defekte Schweißnaht ergibt, die man im allgemeinen als eine Kaltschweissung bezeichnet. Wenn hingegen der Schweißstrom zu stark ist und die Ränder eine hohe Wärmezufuhr haben, kann sich manchmal eine defekte Schweißnaht ergeben, die man im allgemeinen als eine Einbrandschweißung bezeichnet. Eine unzulängliche Erwärmung der Ränder ist hauptsächlich für die erzeugte Kaltschweißung verantwortlich, wenn das Schweißen bei einer geringen Wärmezufuhr erfolgt. Die Hauptursache für die Einbrandschweißung, die auftritt, wenn das Schweißen mit einer hohen Wärmezufuhr erfolgt, ist eine periodische Änderung der zu schweißenden Stellen bezüglich der Achse des Rohres infolge des erschmolzenen Metalls, das man beim Erschmelzen der Ränder erhält und das von der Schweißstelle durch elektromagnetische Kraft wegbewegt wird.

Die vorstehend angegebenen Schwierigkeiten bei dem übliehen Verfahren werden nachstehend noch näher erläutert. Im allgemeinen liegt ein elektrischer Hochfrequenzstrom, der zur Herstellung von elektrisch geschweißten Rohren verwendet wird, in dem Frequenzbereich zwischen 10 und 500 kHz. Die bei der Erwärmung unter Verwendung eines HochfrequenzStroms erzielten Effekte nehmen progressiv mit höher werdender Frequenz infolge des synergistischen Effekts von "Skineffekt" und "Annäherungseffekt" als Eigenschaften eines Hochfrequenzstromes zu. Hierin

ist der Grund für die bevorzugte Anwendung eines Hochfrequenzstromes bei der Herstellung elektrisch geschweißter Rohre zu sehen.

Beim elektrischen Hochfrequenzwiderstandsschweißen werden die Ränder eines Werkstücks dadurch erschmolzen, daß sie durch einen Hochfrequenzstrom erwärmt werden und zugleich eine Stauchkraft mit hoher Stärke auf die Verbindungsstelle mit Hilfe eines Paares von Preßwalzen aufgebracht wird. Bei diesem Verfahren wohnt in dem Ablauf inne, daß das Schweißen vorgenommen wird, wenn der Hauptteil des erschmolzenen Metalls aus der Schweißstelle nach außen zusammen mit durch die Erwärmung entstandenen Oxiden gepreßt wird. Diese Schweißnaht wird durch das Stauchen verformt und ein Metallfluß steigt in der wärmebeaufschlagten Zone auf, wie dies in Figur 2 gezeigt ist.

Ein Anstieg des Metallstroms führt zugleich zu einem Anstieg der Einschlüsse im Metallband. Dies führt zu dem Defekt, daß das Innere des Metalls, das hinsichtlich der mechanischen und chemischen Eigenschaften schlechter ist, am Oberflächenteil freigelegt wird. Wenn keine Stauchung bewirkt wird, erhält man defekte Schweißnähte. Figur 3 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Anstiegwinkel θ des Metallstroms und der Zähigkeit der Schweißnaht. Je größer der Anstiegswinkel θ ist, desto kleiner wird die Zähigkeit. Wenn der Anstiegwinkel 0 klein ist, weist die Zähigkeit Schwankungen infolge der defekten Schweißnaht auf, wobei die Zähigkeitswerte auf übermäßig geringe Werte abfallen.

In Figur 3 zeigt die gestrichelte Fläche die Zone der Zähigkeit. Die Zähigkeit ändert sich in dem gestrichelten Bereich. Bisher hat man den Metallströmungs-Anstiegwinkel als akzeptierbar angesehen, wenn er im Bereich zwischen 50 und 70° lag.

-τ- 360045?

Ein Hochfrequenzstrom wird auf der Oberfläche der Ränder konzentriert, die stumpf aneinander liegen, insbesondere in den Ecken. Somit wird das Metall in größeren Mengen in den Ecken als im Mittelteil der stumpf aneinanderliegenden Ränder erschmolzen. Das erschmolzene Metall, das an den Rändern gebildet wird, bewegt sich von den Rändern zur Außenseite infolge der Wirkung des elektromagnetischen Druckes, der durch die Gegenströme erzeugt wird, die durch die stumpf aneinander liegenden Ränder geht, die einander gegenüberliegen. Figur 4 zeigt die Richtungen des elektromagnetischen Druckes und Figur 5a die Form der stumpf aneinander liegenden Ränder unmittelbar vor der Ausführung der Schweißung. Hieraus ist zu ersehen, daß jeder Rand an der Oberfläche konvex ist, wobei der Mittelteil vorgewölbt ist. Unmittelbar nach der Durchführung der Schweißung füllt der erschmolzene Stahl den Zwischenraum zwischen den Rändern aus. Wenn der erschmolzene Stahl sich in diesem Zustand verfestigen kann oder wenn keine Stauchkraft auf die Schweißnaht ausgeübt wird, so würden sich Poren in der Nähe der Ecken infolge der Erstarrungsschrumpfung des schmelzflüssigen Stahls bilden, so daß man eine defekte Schweißnaht erhält. Figur 5b zeigt eine solche defekte Schweißnaht. Wenn eine Stauchkraft mit hoher Stärke auf die Schweißnaht ausgeübt wird, so wird die Schweißnaht zu einer konvexen oder planaren Gestalt verformt und die Schicht aus verfestigtem Metall wird in Form eines dünnen Films vorliegen und es würden sich infolge der Schrumpfung keine Poren bilden, wie dies in Figur 5c gezeigt ist.

Bei der Widerstandsschwexßung unter Verwendung eines Hochfrequenzstromes in der üblichen Form sollte daher eine erhöhte Stauchkraft angewandt werden, um die Bildung von defekten Schweißnähten zu vermeiden, deren Ursache vorstehend erörtert wurde. Bei einer Erhöhung der Stauchkraft jedoch ergibt sich die Schwierigkeit, daß der Anstiegwinkel θ des Metallstroms größer wird und die Zähigkeit der Schweißnaht geringer wird.

Dieses Phänomen wurde nicht nur bei der Herstellung von elektrisch geschweißten Rohren mit gerader Schweißnaht, sondern auch bei der Herstellung von elektrisch widerstandsgeschweißten Rohren mit spiralförmig verlaufender Schweißnaht beobachtet.

Ein weiterer Grund, warum es bisher schwierig ist, die Schweißung mit einer geringen Stauchkraft auszuführen, liegt darin, daß die Ränder des Werkstücks ungleichförmig infolge der ungleichförmigen Verteilung eines Hochfrequenzstromes erschmolzen werden. Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Ränder gleichförmig erschmolzen werden könnten, es möglich wäre, das Schweißen mit einer geringen Stauchkraft auszuführen. Auch hat es sich gezeigt, daß bei etwa 20 % der Plattendicke von den Ecken der elektrische Strom konzentriert wird, wodurch eine übermäßige Erschmelzung des Stahls verursacht wird, und daß der Stahl nahezu gleichförmig im Bereich zwischen 1/4 und 3/4 der Plattendicke erschmolzen wird.

/! / Nunmehr ist ein Schweißverfahren unter Verwendung eines Laserstrahles oder eines Elektronenstrahles verfügbar, um eine einwandfreie Schweißung herzustellen, bei dem der thermische Wirkungsbereich Schweißen minimalisiert wird. Es wurde vorgeschlagen, ein Schweißverfahren anzuwenden, bei dem ein Strahl einer solchen Strahlungsenergie auf die Spitze eines Keils gerichtet wird, der eine zu schweißende Stelle bildet, wie dies beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung No. 107120/83 angegeben ist.

Nachstehend wird das in diesem Dokument beschriebene Schweißverfahren kurz abgehandelt. Ränder (gleichförmige, gegenüberliegende, zu schweißende Flächen) eines Rohr-Stücks werden gleichförmig auf eine Schweißtemperatur über den gesamten Bereich der Dicke durch die Joule'sehe Wärme erwärmt, die durch einen Hochfrequenzstrom erzeugt

wird/ der über einen Kontakt zugeführt wird und durch einen Laserstrahl, der über eine Strahlenführung von einer Lasereinheit angelegt wird.

Der Laserstrahl tastet hin- und hergehend die gegenüberliegenden Ränder des Rohrstücks in einem vorbestimmten Winkelbereich mit der Spitze des Keiles eines vorbestimmten Winkels ab, der eine zu schweißende Stelle bildet und im Mittelbereich angeordnet ist. Der Laserstrahl wird gegen einen der gegenüberliegenden Ränder gerichtet und hierbei reflektiert, so daß er gegen den gegenüberliegenden Rand gerichtet wird und diese Reflexion des Laserstrahles wird wiederholt, bis die zu schweißende Stelle erreicht ist. Selbst wenn der Laserstrahl nicht direkt an die zu schweißenden Stellen angelegt wird, so ist zu unterscheiden, daß der reflektierte Strahl konvergierend verläuft, bis der Laserstrahl automatisch auf die zu schweißende Stelle konvergiert 'wird.

Wenn dieses Verfahren einer kombinierten Schweißung Anwendung gefunden hat, haben sich Schwierigkeiten bei der Erzielung eines vorbestimmten Erwärmungsmusters infolge der Schwankungen der Position ergeben, die mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, wobei diese Schwankungen ihre Ursache in Änderungen bei der zu schweißenden Stelle haben, die von Änderungen der Dicke und der Festigkeit des Materials des RohrStücks herrühren. Es hat sich gezeigt, daß dieses Phänomen markant an Bedeutung gewinnt, wenn das Stahlmaterial eine große Dicke hat. Auch hat es sich gezeigt, daß dieses Phänomen auftritt, wenn Schwierigkeiten bezüglich der Gleichförmigkeit des Stahlmaterials, der Einstellung der Position des Strahles und der Form des projizierten Strahles vorhanden sind. Das Phänomen kann selbst dann auftreten, wenn die Position des Strahles korrekt eingestellt ist und zwar infolge der mechanischen Positionsänderung, insbesondere aufgrund von Formfehlern des Rohrstücks, Positionsänderungen des Rohrstückes und Posi-

tionsänderungen der den Energiestrahl liefernden Einheit.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein verbessertes Verfah-

elektrische ren der kombinierten Schweißung zu schaffen, bei aem aas/ Widerstandsschweißen unter Verwendung eines Hochfrequenzstromes durchgeführt wird, während eine Bestrahlung mittels eines Laserstrahles erfolgt. Durch konzentrierte Anlegung des Laserstrahles auf einen Teil des zu schweißenden Werkstücks, an dem die Erwärmung und Erschmelzung durch den hochfrequenten Strom verzögert ist, wird es möglich, einen Zustand einer gleichförmigen Erschmelzung über die gesamte Dicke des Werkstücks hinweg zu erreichen, so daß das Schweißen genau mit einer minimalen Stauchung ohne die Gefahr der Bildung einer defekten Schweißnaht erfolgen kann.

Die erzeugte Schweißnaht hat einen kleinen Anstiegwinkel des Metallflußes, so daß sie äußerst günstige Eigenschaften für eine Verbindung hat. Die Bildung von defekten Schweißnähten infolge von mechanischen Fehlern oder Fehlern bei der Positionierung oder Einstellung des Werk-Stücks und der Schweißeinheit lassen sich vermeiden.

Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
25

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Systems

zur Durchführung des Schweißverfahrens

nach der Erfindung,

Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht einer Verbindung, die durch ein Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren üblicher Art hergestellt ist,

Figur 3 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen dem Anstiegwinkel der in Figur 3 gezeigten Verbindung und der Zähigkeit des Materials,

Figur 4 eine Schnittansicht zur Verdeutlichung

des Zusammenhangs zwischen dem Erschmelzen der zu schweißenden Ränder und der elektromagnetischen Kraft beim Widerstandsschweißverfahren üblicher Art,

Figur 5a eine Schnittansicht zur Verdeutlichung

des Zustands, wenn die geschweißten Ränder erschmolzen sind,
10

Figur 5b eine Schnittansicht zur Verdeutlichung

des Zustands, wenn die Ränder nach dem Schweißen ohne eine Stauchung sich abkühlen,
15

Figur 5c eine Schnittansicht zur Verdeutlichung des

Zustands, wenn die Ränder nach dem Schweissen durch Stauchen abkühlen gelassen werden,

Figur 6 ein Modell des durch die Ränder eines Werkstücks gebildeten Keils, der mittels eines Hochfrequenzstromes erwärmt wird,

Figur 7 eine Vertikalschnittansicht der wesentlichen Teile der Strahlführung, die bei der Durch

führung des Verfahrens nach der Erfindung Anwendung findet,

Figuren 8a, 8b und 8c Schnittansichten einer Schweißnaht, die durch den Hochfrequenzstrom während des Anlegens des Laserstrahles an die Schweißnaht erzeugt wird, wobei die Laserstrahlendurchmesser auf 0,25 t, 0,3 bis 0,8 t und 0,9 t jeweils eingestellt sind (t ist die Dicke der Platte) und

Figur 9 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Ergebnisse von Tests, die an Proben der Schweißnaht durchgeführt wurden, um ihre Zähigkeit zu bestimmen.
5

Figur 1 zeigt ein System, das zur praktischen Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist. Ein Metallband wird zu einer rohrförmigen Gestalt 1 geformt und seine gegenüberliegenden Ränder 2 liegen stumpf gegeneinander.

Ein Hochfrequenzstrom wird von einer Hochfrequenzstromquelle 8 über Kontakte 7 zu den Rändern 2 geleitet und ein Laserstrahl LB wird von einer Lasereinheit 4 über eine Strahlenführung 29 und eine Strahlprofilsteuereinrichtung 5 an die Ränder 2 angelegt, die einen astigmatischen Spiegel, einen üblichen Spiegel und eine Linse aufweist, so daß die Ränder 2 durch die Joule'sehe Wärme erwärmt werden, die durch den Hochfrequenzstrom und die Bestrahlung durch den Laserstrahl LB erzeugt wird, wobei man eine gleichförmige Erschmelzung über den gesamten Bereich der Plattendicke erhält. Der Laserstrahl LB wird durch die Laserstrahlprofilsteuereinrichtung 5 derart geregelt, daß er einen Bereich von über 30 % und kleiner 80 % der Plattendicke der stumpf aneinander liegenden Ränder einschließlich des Mittelteils der Plattendicke bestrahlt. Mit 3 ist ein Paar von Preßwalzen bezeichnet, die einen vorbestimmten Druck auf die rohrförmige Gestalt 1 ausüben, wenn ein hydraulischer Zylinder 10 durch ein Steuersignal betätigt wird, das von einer Drucksteuereinrichtung 9 geliefert wird, deren Arbeitsweise auf den Ermittlungsresultaten eines Prozessors/einer Steuereinrichtung 11 in Abhängigkeit von der Festigkeit und der Plattendicke der rohrförmigen Gestalt 1 arbeitet. Hierbei wird das Profil des Endprodukts (Durchmesser des Rohres) und der Anodenmetallflußanstiegwinkel entsprechend berücksichtigt (kleiner 40°).

In den Prozessor/die Steuereinrichtung 11 werden folgende Informationen eingegeben:

. ₁₃ _ 3500452

Schweißgeschwindigkeitsdaten (von einem Tachometer 21).

Stauchdaten, Plattendickendaten, Höhendaten und andere Schweißbedingungs- und Steuerdaten. 5

Tatsächliche Plattendickendaten (von einem Dickensensor ( or-Strahlendickenmeßeinrichtung) 16).

Aktuelle Höhendaten (von einem Höhensensor 15). 10

Ausnehmungsmittellinienabweichungsdaten ΔC (von einer Recheneinheit 14).

Eine erforderliche Strahlbestrahlungsbreite W_L„ (von der Recheneinheit 14).
15

Aktuelle Strahlposition und aktuelles Strahlprofil (von einer Videoanalysierungseinrichtung 23}.

Eine Videokamera 12, die ein hohes Auflösungsvermögen im Infrarotbereich hat, befindet sich an einer Stelle, an der ein Punkt geringfügig vor dem zu schweißenden Punkt als ein Mittelpunkt des Blickfeldes dient und auf ihrer Kathodenstrahlröhre wird ein optisches Bild der stumpf aneinanderliegenden Ränder an einer Stelle erzeugt, die vor einer zu schweißenden Stelle 0 um einen vorbestimmten Abstand χ (s. Figur 6) liegt und sie führt ein Videosignal einer Videoanalysierungseinrichtung 23 zu, die Wh jedes Randes 2 um einen vorbestimmten Abstand χ vor dem zu schweißenden Punkt 0 basierend auf dem Videosignal ermittelt und einen Mittelwert von Wh der Recheneinheit 14 zuleitet, die zuvor Ausnehmungsmittellinienpositionsdaten enthält (Daten auf der Mittellinie des Keiles). Die Recheneinheit 14 ermittelt Abweichungen der tatsächlichen Ausnehmungsmitte!linie, gegeben durch das optische Bild, von den gespeicherten Ausnehmungsmittelliniendaten, um Abweichungsdaten &C zu liefern, die dem Prozessor/der Steuereinrichtung 11 zugeleitet werden. Die Recheneinheit 14 leitet ferner einer CRT-Anzeigeeinheit 25 digitale Bilddaten zu, bei denen sich die

_ 1 4 -

Ausnehmungsmittellinienbilddaten und die Erschmelzungsmeßpositionsanzeigelinienbilddaten, die von den Ausnehmungsmittelliniendaten und den Positions-x-Daten erzeugt werden, die zuvor eingegeben wurden, die digitalen Bilddaten überlagern, die von der Videoanalysiereinrichtung 13 empfangen werden. Die CRT-Anzeigeeinheit 25 zeigt auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre die Ausnehmungsmittellinie (eine in einem Block 25 in Figur 1 horizontal verlaufende gebrochene Linie) an, die zuvor eingegeben worden ist.

Der Höhensensor 15 und ein Strahlpositions- und Profilsensor 22 sind derart vorgesehen, daß der Laserstrahl LB in einem Raum einer keilförmigen Gestalt nicht blockiert wird, und der Dickensensor 16 ist in einem ebenen Plattenabschnitt vorgesehen. Die Sensoren 15 und 16 erfassen die Höhe der oberen Fläche der rohrförmigen Gestalt 1, die projezierte Stelle und das Profil des Laserstrahles LB und die Dicke unterhalb der oberen Fläche. Die Daten betreffend der erfaßten Höhe (tatsachliche Höhe), die Daten betreffend der erfaßten Dicke (tatsächliche Dicke), die Daten betreffend die erfaßte Strahlposition (tatsächliche Position/zweidimensional) und die Daten betreffend das erfaßte Strahlprofil (tatsächliches Strahlprofil) (Bilddaten) werden in den Prozessor/die Steuereinrichtung 11 eingegeben.

Basierend auf den Schweißbedingungen einschließlich einer Schweißgeschwindigkeit, einer Stauchung, einer Plattendicke und anderen Faktoren, die zuvor von einem übergeordneten Rechner oder über eine Eingabetastatur eingegeben worden sind, liefert der Prozessor/die Steuereinrichtung Strahlprofildaten und Energiedaten einer optischen Systemsteuereinrichtung 17 und einer Lasersteuereinrichtung 18 jeweils. Auch erzeugt der Prozessor/die Steuereinrichtung 11 basierend auf den eingegebenen Daten graphische Daten, bei denen der geschweißte Punkt (die Spitze des Keils) von der Nut der rohrförmigen Gestalt gesehen wird, sowie die Strahlprojektionsprofildaten und führt diese einer CRT-An-

zeigeeinheit 24 zu. Die CRT-Anzeigeeinheit 24 zeigt auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre ein vorbestimmtes Nutenprofil und ein vorbestimmtes Strahlprojektionsprofil (im Block 24 in Figur 1 mit gebrochenen Linien dargestellt) an. Mit einer entsprechend geeigneten zeitlichen Steuerung gibt der Prozessor/die Steuereinrichtung 11 einen Befehl für den Start eines Schweißvorgangs. Somit sind die anfänglichen Schweißbedingungsdaten vorgegeben. Die CRT-Anzeigeeinheit 25 zeigt auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre eine Schmelzmeßpunktanzeigelinie (durchgezogene vertikale Linie) zusätzlich zu der vorbestimmten Ausnehmungsmittellinie (gebrochene Linie) an.

Nach dem Beginn des Schweißvorganges liest der Prozessor/ die Steuereinrichtung 11 Daten, die man von tatsächlichen Messungen erhält und vergleicht dieselben mit den zu Beginn vorgegebenen Werten (Anfangsschweißbedingungen), cm eine Abweichung (einen Fehler) zu ermitteln und es wird eine Prozeßsteuerung und Anpassung an die Abweichung (Korrektur der Ausgabeanzeigedaten) durchgeführt.

Durch die Erwärmung der gegenüberliegenden Ränder 2 der rohrförmigen Gestalt 1 mit Hilfe einer Hochfrequenzwiderstandserwärmung und der Bestrahlung mittels eines Laser-Strahles, wie dies zuvor beschrieben worden ist, wird ermöglicht, die Ecken der Ränder 2 durch hochfrequente Widerstandserwärmung zu erschmelzen und den Mittelteil der Ränder 2, an dem die Erwärmung durch den Hochfrequenzstrom verzögert ist, durch den Laserstrahl zu erschmelzen, der konzentriert auf diesen Teil gerichtet wird, so daß die kombinierte Wirkung von Hochfrequenzstrom und Laserstrahl die Ränder 2 gleichförmig in der Nähe der Spitze des Keils zum Erschmelzen bringt, währenddem die gegenüberliegenden stumpf aneinander gelegten Ränder mit Hilfe der Preßwalzen 3 gegeneinander gedrückt werden. Die Folge hiervon ist, daß der Großteil des erschmolzenen Metalls aus der erschmolzenen Metallschicht herausgedrückt wird, die in eine dünne

Schicht aus Metallschmelze umgewandelt wird und sich in Form eines Films verfestigt, ohne daß sich aufgrund der Erstarrungsschrumpfung irgendwelche Poren bilden. Da der durch die Preßwalzen 3 aufgebrachte Druck mit der Stärke und der Dicke der rohrförmigen Gestalt und dem Profil des Endprodukts übereinstimmt, bleibt der Metallflußanstiegwinkel unter 40° und die erhaltene geschweißte Verbindung hat eine hohe Zähigkeit und ist frei von Mängeln.

Unter Bezugnahme auf Figur 7 wird die Ausbildung der Strahlenführung 29 näher beschrieben. Die Strahlenführung 29 weist eine Sammellinse FL und Übertragungsspiegel M₁ und M_ auf. Der Laserstrahl LB ist so beschaffen, daß er durch die Mitte der Sammellinse FL geht und durch die Mitten der Übertragungsspiegel M. und M₂ immer reflektiert wird. Die Strahlenführung 29 weist ferner eine Wand, bestehend aus einer Basis 29a, einem Zwischenabschnitt 29b und einem vorderen Endabschnitt 29c auf.

Der vordere Endteil 29c, der im wesentlichen die Form eines Buchstabens L hat, enthält eine Düse 29F, die sich an seinem vorderen Ende befindet, das eine zylindrische Gestalt und eine kegelstumpfförmige äußere Form sowie einen Winkel hat, der denselben Wert wie der Winkel des Keils der rohrförmigen Gestalt 1 hat. Die Düse 29F, die den Laserstrahl LB und nicht oxidierende Gase lenkt, hat eine Spiegeloberflächenendbearbeitung auf einem Innenumfang und der Spiegel M₂ ist in der Ecke des L-förmigen Endabschnitts 29c angebracht, der an seinem hinteren Ende ein vorderes Ende des Zwischenabschnitts 29b aufnimmt.

Der vordere Endabschnitt 29c ist um das vordere Ende des Zwischenabschnitts 29b drehbar und mittels einer Gleitbewegung in die Richtungen der Pfeile AD- in vertikaler Richtung bewegbar.

Der Zwischenabschnitt 29b hat ebenfalls im wesentlichen die Form eines Buchstabens L und der Spiegel M₁ ist in der Ecke des L-förmigen Zwischenabschnitts 29b angebracht.

Der Zwischenabschnitt 29b, der ebenfalls zu einem Spiegel auf seiner inneren Fläche endbearbeitet ist, enthält ein hinteres Ende, das in ein vorderes Ende der Basis 29a unter Verwirklichung einer teleskopartigen Verschiebebewegung in den Richtungen der Pfeile AD₁ eingeführt ist.

Die Sammellinse FL ist an ein hinteres Ende der Basis 24a angepaßt, die zu einem Spiegel an ihrer Innenfläche endbearbeitet ist. Die Basis 29a ist an ihrem hinteren Ende an einer Strahlabgabeführung 29 der Lasereinheit 4 unter Verwirklichung einer teleskopartigen Gleitbewegung in Richtungen der Pfeile AD- angebracht. Ein rohrförmiges Element 29E zum Einleiten eines nicht oxidierenden Gases G ist einteilig mit der Basis 29a ausgebildet und nimmt eine Inertgaszuführung, vorzugsweise für ein Heliumgas (He) unter einem vorbestimmten Druck auf. Das Heliumgas wird von der Düse 29f über die Basis 29a, den Zwischenabschnitt. 29b und den vorderen Endabschnitt 29c ausgegeben, und gegen die Schweißstelle gerichtet. Der von der Düse 29f ausgegebene Heliumgasstrom bewirkt eine Kühlung der Strahlenführung und er bläst Staub von der Strahlenführung 29 weg, und verhindert gleichzeitig, daß Staub eindringen kann. Helium hat ein Ionisationspotential von 24,6 V, das höher als das Ionisationspotential von Argon (Ar) ist, das 15,76 V hat, so daß Helium die Erzeugung von Plasma durch den im wesentlichen koaxial mit dem Heliumgas abgestrahlten Laserstrahl LB verhindert und die Energieabsorption vom Strahl minimal hält. Das Heliumgas strömt von der Düse 29F in Richtung auf den zu schweißenden Punkt längs des Strahlenweges des Laserstrahles LB, so daß es die gegenüberliegenden Ränder 2 vor dem Schweißen der rohrförmigen Gestalt 1 und den zu schweißenden Punkt bedeckt, um eine Oxidation der Schweißstelle zu vermeiden. Da das Heliumgas immer konstant strömt, wird die Temperaturverteilung in dem Strahlenweg des Laserstrahles LB zwischen der Düse 29F und der Schweißstelle gleichförmig. Somit tritt keine Ablenkung des Laserstrahles LB auf und der Strahl kann auf irgendeine ge-

- 18 wünschte Stelle gerichtet werden.

Die Arbeitsweise der zuvor erörterten bewegbaren Führung läßt sich auf die folgende Weise zusammenfassen: 5

1. Einstellungen des Laserprojektionsprofils.

2. Verhindern des Sammelns von Staub im optischen System einschließlich der Spiegel, Linsen, usw.

3. Mehrfach-Reflexionseffekt erzielt durch den Laserstrahl an den gegenüberliegenden Rändern der rohrförmigen Gestalt vor dem Schweißen, um eine Oxidation der Ränder zu verhindern.

4. Entfernen von Staub und Feuchtigkeit von dem Strahlenweg des Laserstrahles und verminderter Energieverlust.

Obgleich nicht gezeigt, ist die Strahlenführung 29.mit einer Einrichtung zur Steuerung der Position der Strahlenführung in den Richtungen AD bis AD. versehen, so daß die Position, gegen die der Laserstrahl gerichtet wird, und das Strahlprojektionsprofil vorgegeben werden können und sich auf die nachstehende Weise einstellen lassen:

1. Einstellungen der Position des Strahles in Richtung der Schweißung (AD₁) (X-Achse).

2. Einstellungen der Position des Strahles in horizontaler Richtung (AD-) (Y-Achse).

3. Einstellungen der Position des Strahles in vertikaler Richtung (AD₃) (Z-Achse).

4. Einstellungen des Projektionsmusters (AD.) (Einstellungen des Abstands von LB₁ und LB₂ in der X-Achsrichtung: Einstellungen der Überlappung).

Die Steuerung der Strahlposition in den drei Richtungen und die Steuerung des Strahlprojektionsmusters, die vor-

stehend summarisch aufgeführt sind, werden detailliert unter Bezugnahme auf Figur 7 näher erläutert.

1. Steuerung der Strahlposition in Richtung der Schweißung (X-Achse)

Bei dieser Steuerung wird die Fokussierungsposxtion sowie die Position der Düse am vorderen Ende der Führung eingestellt. Der Zwischenabschnitt 29b wird in den Richtungen von AD₁ bezüglich der Basis 29a eingestellt. Der Zwischenabschnitt 29b (Spiegel M₁) und der vordere Endabschnitt 29c (Spiegel M₂) bewegen sich als eine Einheit bezüglich der Basis 29a, sodaß die Position der Düse 29f einjustiert werden kann. Wenn die Übertragungsspiegel M₁ und M« Spiegel sind, die eine Krümmung haben, sind die Abstände zwischen der Sammellinse FL und den Spiegeln M₁ und M„ Änderungen unterworfen, so daß die Charakteristika des zusammengesetzten Sammelsystems (Strahlbild am projezierten Punkt) Änderungen unterworfen ist. Dies bedeutet, daß die Position der Fokussierung des Strahles und die Position des Sammelsystems (das Bild des Strahles am projizierten Punkt) Änderungen unterworfen sind. Somit ist es möglich, das Profil und die Position des Strahles bezüglich der bestrahlten Stelle zu steuern und folglich kann das Profil des Strahles ausgerichtet in der Richtung der Dicke der rohrförmigen Gestalt 1 geregelt werden, so daß eine Steuerung und Regelung der Form der zu bewirkenden Erschmelzung ermöglicht wird.

2. Steuerung des Laserstrahles in horizontaler Richtung (Y-Achse)

Durch Drehen des vorderen Endabschnitts 29c relativ zum Zwischenabschnitt 29b kann der Spiegel M„ (an dem vorderen Endabschnitt 29c) um den Spiegel M₁ bewegt werden, so daß es möglich ist, in horizontaler Richtung die Position einzustellen, gegen die der Laserstrahl projiziert

wird, nachdem er durch diese Spiegel an seinen Zentren reflektiert worden ist. Als Folge hiervon wird ermöglicht, eine ungleichförmige Erschmelzung einer der zu schweißenden gegenüberliegenden Ränder 2 zu vermeiden.

3. Steuerung des Laserstrahles in vertikaler Richtung (Z-Achse)

Durch Bewegen des vorderen Endabschnitts 29c nach oben und unten in die Richtungen der Pfeile AD₃ wird es möglich, die vertikale Bewegung des Laserstrahles zu steuern, um denselben auf den Mittelteil der Dicke der rohrförmigen Gestalt zu bewegen und denselben in Übereinstimmung mit der durch die elektrische Widerstandsschweißung erzeugten Wärmeverteilung zu bewegen.

4. Steuerung des Laserstrahles zur Berücksichtigung von Änderungen der Dicke

Es ist notwendig, daß die Position, gegen die der Laserstrahl projiziert wird, in Abhängigkeit von Änderungen, Schwankungen oder Fluktuationen der Dicke des Stahlbandes variierbar ist, aus dem die rohrförmige Gestalt 1 gebildet wird. Dies ist notwendig, da eine Zunahme der Dicke des Stahlbandes und wenn es bearbeitet wird, wenn die Bodenfläche des Stahlbandes stationär bleibt, seine obere Fläche (und die Mitte der Dicke) nach oben zu bewegen ist, wodurch es notwendig wird, es in die Position nach olben zu bewegen, gegen die der Laserstrahl projiziert wird. Wenn sich die Dicke ändert, wird der vordere Endabschnitt 2 9c vertikal in die Richtungen der Pfeile AD bewegt, um die Position in Übereinstimmung mit der Mitte der Dicke zu bringen, gegen die der Laserstrahl projiziert wird. Eine Änderung der Länge des Strahlweges, die aus der vorstehend erörterten Steuerung des Laserstrahles resultiert, wird dadurch ausgeglichen, daß der Zwxschenabschnitt 29b in die Richtungen AD₁ bewegt wird.

Der Schnittpunkt von LB₁ und LB₀ in LB = LB = LB₁ + LB₀ ist etwa an dem zu schweißenden Punkt angeordnet. Durch Bewegen der Basis 29a in die Richtungen AD. ist es möglich, den Schnittpunkt nach vorne und hinten bezüglich des Schweißpunktes au bewegen, wodurch eine Änderung

bei der Länge der Überlappung von LB- und LB₂ auftritt. Somit läßt sich die Länge der Überlappung durch die Bewegung der Basis 29a in die Richtungen AD. einstellen (Einstellung des Projektionsmusters).
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Nachstehend werden die Funktionsweisen des Höhensensors 15 und des Strahlpositions- und Profilsensors 22 erläutert.

Der Höhensensor 15 kann in Form eines Differentialwandlers ausgebildet sein, der ein Signal erzeugt, das eine Verschiebung der oberen Fläche der rohrförmigen Gestalt an einer zuvor bestimmten Bezugsfläche angibt. Dieses Signal wird in den Prozessor/die Steuereinrichtung 11 eingegeben. Der Strahlpositions- und Profilsensor 22, der sich in dem Bewegungsweg des Laserstrahles LB befindet, wenn Messungen für die Videodaten von der zu erwärmenden Position und des Profils des Strahles probenweise durchgeführt werden, liefert ein Videosignal der Videoanalysierungseinrichtung 23, die das Videosignal digitalisiert und Bilddaten eines Profils einer öffnung zu dem Prozessor/der Steuereinrichtung 11 abgibt, durch die der Strahl geht. Zugleich liefert der Prozessor/die Steuereinrichtung 11 der CRT-Anzeigeeinheit 24 Positionsdaten, die die Mittelkoordinaten der öffnung für den durchgehehenden Strahl angeben und diese werden dem Prozessor/der Steuereinrichtung 11 zugeführt, die Bilddaten des Profils des zu erwärmenden Teils (Bilddaten, die die tatsächliche Position und das tatsächliche Profil des Laserstrahles bezeichnen), Bilddaten, die die Positionen der oberen und unteren Flächen der rohrförmigen Gestalt 1 und die Position angeben,

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gegen die der Laserstrahl zu richten ist, den man durch Ermittlung aus den Daten erhält, die in das System zuvor für die Arbeitsweise eingegeben worden sind (Bilddaten, die das Profil der Ausnehmung und die Position angeben, gegen die der Laserstrahl aufgrund der Ermittlung von den anfänglichen Sollwerten projiziert werden soll) und Bilddaten für die Überlappung der tatsächlichen Positionen der oberen und unteren Flächen der rohrförmigen Gestalt 1 erzeugen, die man durch Ermittlung von der Mittelabweichung -.C, erhalten von der Recheneinheit 14, von den Höhendaten von dem Höhensensor 15 und den Dickendaten von dem Dickensensor 16 erhält. Zugleich rechnet der Prozessor/die Steuereinrichtung 11 die Druckdaten, die Hochfrequenz leistung, das Profil und die Energie des Laser-Strahles, basierend auf diesen tatsächlichen Messungen, erhalten durch die Recheneinheit 14, den Tachometer 21, den Höhensensor 15, den Dickensensor 16 und die Kamera nach und die Steuerbefehle für die optische Systemsteuereinrichtung 17 und die Lasersteuereinrichtung 18 werden synchron mit dem Fortschreiten des Schweißvorganges geändert. Wenn der Schweißvorgang eingeleitet wird, ermittelt der Prozessor/die Steuereinrichtung 11 die Sollwerte und leitet diese den betreffenden, vorstehend erörterten Teilen zu. Nach dem Beginn des Schweißvorganges jedoch überwacht der Prozessor/die Steuereinrichtung 11 den Schweißvorgang, basierend auf den tatsächlich durch die Sensoren gemessenen Werten und führt eine Prozeßsteuerung durch, um die Bedingung zu optimieren, unter der die Schweissung erfolgt.

Die CRT-Anzeigeeinheit 25 zeigt die Bedingungen an, unter denen die Schweißung erfolgt (Erschmelzen der stumpf gegeneinander liegenden gegenüberliegenden Ränder) und zeigt die Ausnehmung von oben zusammen mit der Sollmittellinie der ursprünglich vorgegebenen Ausnehmung (gebrochene Linie) und die Position, an der die Schmelze gemessen wird (vertikale durchgezogene Linie). Die CRT-Anzeigeeinheit 24 zeigt

die aktuelle Position der oberen Fläche der rohrförmigen Gestalt 1 (horizontale durchgezogene Linie) und die aktuelle Position der unteren Fläche der rohrförmigen Gestalt 1 (horizontale durchgezogene Linie), die aktuelle Mitte der Ausnehmung (der zu schweißende Punkt, der die Spitze des Keils ist, der durch eine vertikale, durchgezogene Linie dargestellt ist) und die aktuelle Position an, gegen die der Laserstrahl projiziert wird, sowie das Profil des Strahles -(einen kreisförmigen schraffierten Bereich, der durch durchgezogene Linien dargestellt ist) zusammen mit der Position der oberen Fläche der rohrförmigen Gestalt 1 (horizontale gebrochene Linie), ferner die Position der unteren Fläche der rohrförmigen Gestalt 1 (horizontale gebrochene Linie), die Mitte der Ausnehmung (vertikale gebrochene Linie), die Position, gegen die der Laserstrahl projiziert wird und das Profil des Strahles (ein kreisförmiger Bereich definiert durch eine gebrochene Linie) an, die zu Beginn eingestellt sind. Die Bedienungsperson kann Informationen über die Bedingungen, unter denen die Schweißung erfolgt, von den Anzeigeeinrichtungen der CRT-Anzeigeeinheiten 24 und 25 erhalten und sie kann die aktuellen Bedingungen, unter denen die Schweißung erfolgt, mit den Bedingungen vergleichen, die ursprünglich für die Durchführung der Schweißung vorgegeben sind. Der Prozessor/die Steuereinrichtung 11 kann aktualisierte Bedingungen für die Schweißung eingeben, um die Bedingungen zu ändern oder zu korrigieren, unter denen die Schweißung erfolgt, um hierbei eine Obereinstimmung mit den tatsächlichen Bedingungen zu erzielen, unter denen die Schweissung erfolgt.

Einrichtungen zum Erfassen der Position und des Profils des Laserstrahles LB können optische Sensorelemente aufweisen, die zweidimensional angeordnet sind. Die Sensoren können in Form von Thermoelementen vorgesehen sein. Sensoren anderer bekannter Bauart können als Höhensensor 15 und Dickensensor 16 verwendet werden.

Nochmals bezugnehmend auf Figur 1 werden das Muster des Laserstrahles LB und die Verteilung seiner Energie nach Maßgabe der Plattendicke, der Schweißgeschwindigkeit und weiterer Schweißbedingungen mit Hilfe des Prozessors/der Steuereinrichtung 11 eingestellt. Einrichtungen zur Einstellung der Strahlenführung 29 werden nach Maßgabe des Musters des Laserstrahles LB durch die optische Systemsteuereinrichtung 17 gesteuert, um die Position einzustellen, gegen die der Laserstrahl projiziert wird (ein Bereich von größer 30 % und kleiner 80 % der Dicke einschließlich der Mitte) sowie die Position des Bildes des projizierten Strahles. Dann wird die Erzeugungsenergie des Strahles eingestellt. Als Folge hiervon läßt sich das Schweißen mit einer gleichförmigen Verteilung der Erwärmungstemperatur in Richtung der Dicke durchführen, so daß die Schweißnaht frei von Mängeln ist, eine hohe Zähigkeit besitzt und minimal wärmebeeinflußte Zonen hat. Da die Schweißung erfolgt, während dem die tatsächlichen Schweißbedingungen überwacht werden, sind die erhaltenen Resultate so, wie die ursprüngliche Auslegung es erfordert.

Wenn die zu schweißende Stelle durch den Laserstrahl erwärmt wird, wird der Laserstrahl in eine horizontale Richtung gegen die Ausnehmung, die von den Rändern der rohrförmigen Gestalt in Form eines Keils gebildet werden, projiziert. Jedoch ist es nicht wesentlich, daß der Laserstrahl in horizontaler Richtung projiziert wird und der Strahl kann auch schräg gerichtet sein, vorausgesetzt, daß eine solche Projektion praktisch durchführbar ist.

Der gegen die zu schweißende Stelle projizierte Laserstrahl braucht nicht notwendigerweise ein feiner, an der zu schweißenden Stelle fokussierter Strahl zu sein, sondern es kann sich auch um einen dicken Strahl handeln. Solche Strahlen mit großen Abmessungen können in einer solchen Weise projiziert werden, daß sie gegen Teile der gegenüberliegenden Ränder der Ausnehmung, die sich vor der Spitze des Randes befinden, gerichtet werden und sich dann

von einem Rand zum gegenüberliegenden Rand bewegen, so daß die Energiedichte im Raum, der durch die Wänder der keilförmigen Ausnehmung definiert wird, ansteigt, wenn der Laserstrahl wiederholt durch die gegenüberliegenden Ränder reflektiert wird, bis die Spitze des Keils (Schweißstelle) erwärmt und erschmolzen ist. Der Laserstrahl kann so beschaffen sein, daß er in Richtung der Dicke abtastet. Die beim Verfahren nach der Erfindung angewandte Lasereinheit kann eine Mehrzahl von Laserstrahlgeneratoren aufweisen.

(Beispiel 1)

Ein Metallband einer Plattendicke t von 12,7 mm wurde unter den Schweißbedingungen geschweißt, die einen Laser ... 5 kW, einen Hochfreguenzstrom ... 270 kW, eine Schweißgeschwindigkeit ... 12 m/min und einen Metallfließwinkel ... 35° umfassen, in dem der Durchmesser des Laserstrahles auf die folgende Weise variiert wurde:

a) Durchmesser des Laserstrahles ... 0,25 t

b) Durchmesser des Laserstrahles ... 0,3 bis 0,8 t

c) Durchmesser des Laserstrahles ... 0,9 t

Hierbei erhielt man die folgenden Resultate. Wenn der Durchmesser des Laserstrahles 0,25 t war, wurde eine öffnung im Mittelteil der Plattendicke gebildet, an der eine überSchmelzung auftrat und Poren bildeten sich infolge der Erstarrungsschrumpfung in den Ecken, wie dies in Figur 8a gezeigt ist. Das überschmelzen des Mittelteils und die Erstarrungsschrumpfung in den Ecken war für mangelhafte Schweißnähte verantwortlich. Wenn der Durchmesser des Laserstrahles 0,3 bis 0,8t war, trat eine gleichförmige Erschmelzung in Richtung der Plattendicke und Poren auf, die sich infolge der Erstarrungsschrumpfung bildeten, die aber außerhalb des Bereiches der Plattendicke lagen, wie dies in Figur 8b gezeigt ist. Die Schweißnaht war frei von Mangeln und die

Verformung der durch Wärme beeinflußten Zone war minimal. Wenn der Durchmesser des Laserstrahles 0,9 t war, war die Erwärmungseffizienz gering und der Mittelteil war nur unzulänglich erschmolzen, was zu einer Kaltverschweissung führte, wie dies in Figur 8cgezeigt ist.

Figur 9 zeigt die Ergebnisse von Zähigkeitsprüfungen. Die in der Figur gezeigten Ergebnisse wurden beim Verfahren nach der Erfindung erhalten, indem man Proben verwendete, die unter Verwendung eines Laserstrahles mit einem Durchmesser von 0,3 bis 0,8 t gebildet wurden. Die beim üblichen Verfahren erhaltenen und gezeigten Resultate ergeben sich bei in Figur 5c gezeigten Proben.

(Beispiel 2)

Elektrisch geschweißte Rohre (Außendurchmesser 406 mm und Dicke 16 mm) wurden aus einem Stahlband (API 51X-X70) unter Verwendung eines elektrischen Hochfrequenzwider-Standsschweißverfahrens üblicher Art und eines elektrischen Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahrens unter Verwendung der Bestrahlung mittels eines Laserstrahles nach der Erfindung hergestellt. Bei den Versuchen belief sich die Leistung der elektrischen Hochfrequenzwiderstandsschweißmaschine und die Nennleistung des Laserstrahlgenerators auf 800 kW und 15 kW jeweils. Die Laserbestrahlung erfolgte unter den Bedingungen C und D. Bei der Bedingung C belief sich die zu bestrahlende Oberfläche des Werkstücks auf 50 % der Dicke, wobei die Mitte der Dicke in der Mitte der zu bestrahlenden Fläche lag und bei der Bedingung auf einen entsprechenden Flächenbereich von 80 %. Die Erschmelzung Wh wurde bei einer Position in der Mitte zwischen der Schmelzbeginnstelle und der Spitze des Keils mit Hilfe der Videokamera 12 und der Videoanalysiereinrichtung 23 gemessen. Die Schmelze Wh , die sich in Breitenrichtung des Werkstücks ergibt, und die Schmelze Wv , die sich in der Dicke des Werkstücks an der Spitze des Keils ergibt, wurden mit Hilfe des Prozessors/der Steuer-

einrichtung 11 ermittelt (s. Figur 6). Die Ergebnisse von Vorversuchen zeigen, daß die am weitesten gleichmäßige Erschmelzung erreicht wurde, wenn Wh = 0,8 mm und die Schweißgeschwindigkeit 18 m/min bei der Bedingung C war, und wenn Wh = 0,5 mm und die Schweißgeschwindigkeit 14 m/min unter der Bedingung D war. Somit wurde die Hochfrequenzenergiesteuereinrichtung so eingestellt, daß die Leistung der elektrischen Hochfrequenzwiderstandsschweißmaschine derart gesteuert wurde, daß die Werte von Wh 0,8 mm und 0,5 mm jeweils unter den Bedingungen C und D wurden.

Die Stauchung belief sich auf 1,5 mm beim Verfahren gemäß der Erfindung und der Metallflußanstiegwinkel belief sich auf etwa 30°. Beim üblichen Verfahren wurden die optimale Stauchung bei 4,3 mm (Bedingung A) eingestellt und der Wert von 1,5 mm (Bedingung B) wurde als eine Steuergröße vorgegeben. Hieraus wurden die Wärmezufuhr für die elektrische Hochfrequenzwiderstandsschweißung, die Bedingungen für die Minimalisierung von Bildung von defekten Schweißnähten unter Verwendung der Vorversuche ermittelt und die Wärmezufuhr wurde auf entsprechende Werte voreingestellt.

Nach dem Ende des Schweißvorganges wurde die äußere Oberfläche der Schweißnaht bei 1000⁰C mittels einer Nahtwärmebehandlungseinrichtung wärmebehandelt. Proben für die JIS No. Stoßprüfungen wurden aus den Schweißnähten der Stahlrohre gewonnen, die man bei diesen Versuchen herstellte und die Prüfungen wurden durchgeführt sowie miteinander im Hinblick auf die Zähigkeit verglichen. Die Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen den Schweißbedingungen und der Zähigkeit auf.

3600A52

Tabelle

Schweiß bedingung	Hochfre quenzein gang (kW)	Laser eingang (kW)	Schweiß geschwin digkeit (m/min)	.Stau chung (mm)	vE-20 (Kgf.m)	vTrs (⁰C)
A	740	0	18	4,3	7,5	-18
B	793	0	18	1/5	3,2	7
C	612	15	18	1,5	35,8	-62
D	548	15	14	1,5	37,9	-61

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß man Schweißnähte mit hoher Zähigkeit entsprechend Figur -9 beim Verfahren nach der Erfindung herstellen kann. Die hergestellten Schweißnähte sind derart, daß sie eine kleine und gleichförmige Tiefe in Richtung der Dicke des Werkstücks haben und es werden keine defekten Schweißungen gebildet. Die Verformung der wärmebeeinflußten Zone wird minimalisiert und der Metallflußanstiegwinkel ist klein. Somit dienen die Schweißungen als Verbindungen mit äußerst hoher Qualität und das Verfahren nach der Erfindung kann nicht nur bei der Herstellung von elektrisch geschweißten Rohren, sondern auch bei der Durchführung von anderen Arten von Stumpfschweissungen Anwendung finden.

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Claims

VOSSIUS & PARTNER - / PATENTANWÄLTE 3bU0452 ·*· EUROPEAN PATENT ATTORNEYS 10 u.Z. Ü 279 9. Januar 1986 Case: B 416-03 15 NIPPON STEEL CORPORATION Tokyo, Japan 20 Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren unter Verwendung einer Bestrahlung mittels eines Laserstrahles 25 Patentansprüche

1. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren unter Verwendung einer Bestrahlung mittels eines Laserstrahles, gekennzeichnet durch die 30 Schritte:

kontinuierliches Zuführen eines Werkstücks und Formen der gegenüberliegenden Ränder desselben zu einer Keilgestalt, indem diese konvergierend zusammenge-35 führt werden, wenn sie stumpf gegeneinander liegen.

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Erwärmen der stumpf gegeneinander gelegten, gegenüberliegenden Ränder mittels eines elektrischen Hochfrequenzstroms , und

Richten eines Laserstrahles gegen die Spitze der stumpf aneinander gelegten Ränder der Keilform von ihrer offenen Seite her, um hierdurch die Spitze der stumpf aneinander gelegten Ränder der Keilgestalt auf eine Schweißtemperatur zu erwärmen, wobei der Laserstrahl gegen den Bereich von größer 30 % und kleiner 80 % der Dicke der stumpf aneinander gelegten Ränder des Werkstücks einschließlich eines Mittelteils der Dicke gerichtet wird.

2. Elektrisches HochfrequenzwiderStandsschweißverfahren unter Verwendung einer Bestrahlung mittels eines Laserstrahles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine möglichst kleine Stauchung bei der Bewirkung der Schweißung erzeugt wird, indem das Werkstück kontinuierlich zugeführt wird, die gegenüberliegenden Ränder desselben zu einer Keilgestalt dadurch geformt werden, daß sie konvergierend zusammengeführt werden, wenn die Ränder stumpf gegeneinander liegen, daß der Mittelteil der Dicke der stumpf aneinander gelegten Ränder des Werkstücks mittels eines Laserstrahles mit einem Strahlquerschnittsprofil und einer Energieverteilung bestrahlt wird, die ermöglicht, daß die stumpf aneinander gelegten Ränder in Richtung der Dicke in großem Maße erschmolzen werden, während die Tiefe minimal gehalten wird, um die gewünschte Stauchung in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit, den physikalischen Eigenschaften des Werkstücks und der Energie des Laserstrahles zu erreichen, und daß die gegenüberliegenden Endabschnitte der Dicke der stumpf aneinander gelegten Ränder des Werkstücks durch Joule'sehe Wärme erwärmt werden, die von einem elektrischen Hochfrequenzstrom erzeugt wird.

3. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren unter Verwendung einer Bestrahlung mittels eines Lasers nach Anspruch 1, bei dem eine Stauchkraft auf das Werkstück derart ausgeübt wird/ daß ein Metallflußanstiegwinkel einer wärmebeeinflußten Zone kleiner 40° wird.

4. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren unter Verwendung einer Bestrahlung mittels eines Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionssensor und ein Dickensensor an den stumpf aneinander gelegten Rändern angeordnet sind, um die Position der stumpf aneinander gelegten Ränder und der Dicke des Werkstücks jeweils zu überwachen, daß die Position des gegen die stumpf gegenr einander gelegten Ränder der Keilform gerichteten Laserstrahles überwacht wird, so daß das Zentrum des Laserstrahles in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Position in der Dicke der stumpf gegeneinander gelegten Ränder basierend auf den durch die Überwachung erhaltenen Informationen gebracht wird.

5. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren unter Verwendung einer Bestrahlung mittels eines Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze in den Ecken der stumpf aneinander gelegten Ränder gemessen wird und daß wenigstens eine der Größen, basierend auf der Messung der Schmelze gesteuert wird, die die Energie des Laser-Strahles, der gegen die stumpf aneinander gelegten Ränder gerichtet wird, die Verteilung der Energie an der Stelle, gegen die der Laserstrahl gerichtet wird, und den Wert des Hochfrequenzstromes umfassen.