DE3600452C2 - - Google Patents
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Description
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 Laserstrahls erfolgen
kann.
Das Schweißen von Metallen findet auf vielen
Gebieten Anwendung. Es sind verschiedene
Schweißverfahren üblich. Beim Schweißen zur Herstellung
von Rohren ist das Hochfrequenz-Schweißverfahren am
weitesten verbreitet.
Das elektrische Hochfrequenzwiderstandsschweißen (ERW) ist als
ein Schweißverfahren mit hoher Schweißgeschwindigkeit und
Produktivität bekannt, wenn man in allgemeiner Form ausgedrückt,
elektrisch geschweißte Rohre (ERW-Rohre) herstellen möchte.
Zum Herstellen geschweißter Rohre mit Hilfe
des elektrischen Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahrens
üblicher Art wird ein Stahlband mit Hilfe einer Reihe von Formwalzen zu einer rohrförmigen Gestalt
geformt und die
Ränder des zu einer rohrförmigen Gestalt geformten Bands
werden mit Hilfe eines Paares von Preßwalzen stumpf gegeneinander
gelegt, so daß die Ränder eine Keilform bilden,
die am Stoßende eine Spitze hat.
Eine Hochfrequenzspannung wird an einen Kontakt angelegt,
der in Transportrichtung vor den Preßwalzen vorgesehen ist, um einen hochfrequenten
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 eine
Schweißtemperatur erreicht ist, die es ermöglicht, die Ränder mittels des von den Preßwalzen
angelegten Drucks zur Bildung einer Schweißnaht zusammenzupressen.
Die Qualität der auf diese Weise erzeugten Schweißnaht
wird stark durch die Stärke des Hochfrequenz- bzw. Schweißstroms beeinflußt.
Wenn der Hochfrequenzstrom 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 Hochfrequenzstrom 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.
Die Hauptursache für die Einbrandschweißung,
ist eine periodische Änderung der zu schweißenden Stellen
bezüglich der Achse des Rohrs infolge der großen Menge des erschmolzenen
Metalls, das man bei zu hoher Wärmezufuhr erhält und
das von der Schweißstelle durch elektromagnetische Kraft
wegbewegt wird.
Die vorstehend angegebenen, bei dem üblichen Verfahren auftretenden Schwierigkeiten
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
erzielten Effekte nehmen
mit höher werdender Frequenz infolge des synergistischen
Effekts von "Skineffekt" und "Annäherungseffekt"
als Eigenschaften eines Hochfrequenzstroms zu. Hierin
ist der Grund für die bevorzugte Anwendung eines Hochfrequenzstroms
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 Paars von Preßwalzen aufgebracht
wird. Bei diesem Verfahren
wird das Schweißen vorgenommen, wenn der Hauptteil des
erschmolzenen Metalls zusammen mit durch die Erwärmung entstandenen Oxiden
aus der Schweißstelle nach außen gepreßt
wird. Diese Schweißnaht wird durch das Stauchen verformt
und ein Metallfluß steigt in der wärmebeaufschlagten Zone
auf, wie dies in Fig. 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. Fig. 3
zeigt den Zusammenhang zwischen dem Anstiegwinkel R des
Metallstroms und der Zähigkeit der Schweißnaht. Je größer
der Anstiegwinkel R ist, desto kleiner wird die Zähigkeit.
Wenn der Anstiegwinkel R klein ist, weist die Zähigkeit
Schwankungen infolge der defekten Schweißnaht auf, wobei
die Zähigkeitswerte auf übermäßig geringe Werte abfallen.
In Fig. 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.
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
Drucks, der durch die Gegenströme erzeugt wird.
Fig. 4 zeigt die Richtungen
des elektromagnetischen Drucks und Fig. 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. Fig. 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 Fig. 5c gezeigt ist.
Bei der Widerstandsschweißung unter Verwendung eines Hochfrequenzstroms
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 Anstiegswinkel R 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 Hochfrequenzstroms
erschmolzen werden. Es hat sich gezeigt,
daß, wenn die Ränder gleichförmig erschmolzen werden können,
es möglich wäre, das Schweißen mit einer geringen
Stauchkraft auszuführen. Bei dem bekannten Schweißverfahren
wird der elektrische Strom bei etwa 20% der Plattendicke
von den Ecken konzentriert, wodurch dort eine übermäßige Erschmelzung
des Stahls verursacht wird. Lediglich im Mitten-
Bereich zwischen ¼ und ¾ der Plattendicke wird der Stahl
nahezu gleichförmig erschmolzen.
Ferner ist ein Schweißverfahren bekannt, bei dem ein Laserstrahl
oder ein Elektronenstrahl verwendet wird, um eine
einwandfreie Schweißung herzustellen, mit einer minimalen
durch Wärme beeinflußten Zone. In der JP-A-59 2 32 676
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.
Dieses bekannte Schweißverfahren arbeitet wie folgt. Die
Ränder (gleichförmige, gegenüberliegende, zu schweißende
Flächen) eines Rohrstücks werden über den gesamten Bereich
der Dicke durch Joulesche Wärme etwa gleichförmig auf eine
Schweißtemperatur erwärmt. Die Joulesche Wärme wird von
einem Hochfrequenzstrom,
der über einen Kontakt zugeführt wird, und von einem Laserstrahl
erzeugt, der über eine Strahlenführung von einer Lasereinheit
angelegt wird. Im einzelnen wird ein bandförmiges
Werkstück kontinuierlich zugeführt und dessen gegenüberliegende
Ränder so zusammengeführt, daß diese zu einer Keilgestalt
geformt werden. Zusätzlich zu der Erwärmung mittels
eines Hochfrequenzstroms werden die gegenüberliegenden Ränder
in einem vorbestimmten Winkelbereich bezogen auf die
Spitze des Keils, der eine zu schweißende Stelle bildet und
im Mittelbereich angeordnet ist, von einem hin- und hergehenden
Laserstrahl abgetastet. Der Laserstrahl wird gegen einen
der gegenüberliegenden Ränder gerichtet und solange von den
gegenüberliegenden Rändern reflektiert, bis die zu
schweißende Stelle erreicht ist. Selbst wenn der Laserstrahl
nicht direkt an die zu schweißende Stelle angelegt wird,
konzentriert sich der reflektierte Strahl automatisch auf
die zu schweißende Stelle.
Bei der Anwendung dieses Verfahrens einer kombinierten
Schweißung, haben sich Schwierigkeiten ergeben. Ein vorbestimmtes
Erwärmungsmuster konnte nicht erzielt werden, weil
sich die Stelle, die mit einem Laserstrahl bestrahlt wird,
ständig änderte. Diese Änderungen sind auf Änderungen der
Dicke und der Festigkeit des Materials an der zu schweißenden
Stelle zurückzuführen. 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 Strahls und der Form des projizierten
Strahls vorhanden sind. Das Phänomen kann selbst
dann auftreten, wenn die Position des Strahls korrekt
eingestellt ist, und zwar infolge der mechanischen Positionsänderung,
insbesondere aufgrund von Formfehlern des
Rohrstücks, Positionsänderungen des Rohrstücks und Positionsänderungen
der den Energiestrahl liefernden Einheit.
Ferner ist aus der DE-A 22 00 696 eine Vorrichtung zur Bearbeitung
von Werkstücken mittels Laserstrahlen bekannt. Eine
derartige Vorrichtung kann für Lötarbeiten, Schweißarbeiten
oder Schneidearbeiten, bei denen ein Werkstück erhitzt werden
muß, eingesetzt werden. Bei dieser Vorrichtung wird die
Leistung des auf das Werkstück auffallenden Laserstrahls in
Abhängigkeit von einer direkten Temperaturmessung an dem erhitzten
Bereich des zu messenden Werkstücks geregelt. Darüber
hinaus ist aus der JP-A-59 1 41 392 eine Einstellvorrichtung
zur Positionierung einer Laserstrahl-Schweißvorrichtung
beschrieben. Dazu wird mit einem Bildsensor die Abweichung
der Auftreffstelle des Schweißstrahls von der gewünschten
Schweißstelle erfaßt und danach die Schweißvorrichtung
neu ausgerichtet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Schweißverfahren
zu schaffen, bei dem das elektrische Widerstandsschweißen
unter Verwendung eines Hochfrequenzstroms durchgeführt
wird, während eine Bestrahlung mittels eines Laserstrahls
erfolgt, das insbesondere bei Werkstücken größerer
Dicke zuverlässige Schweißungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1. Die vorliegende Erfindung hat insbesondere
folgende Vorteile. Durch konzentrierte Anlegung
des Laserstrahls 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 Anstiegswinkel
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 Werkstücks
und der Schweißeinheit lassen sich vermeiden.
Somit dienen die Schweißungen als Verbindungen mit äußerst
hoher Qualität und das Verfahren nach der Erfindung kann nicht
nur bei der Herstellung von elektrisch widerstandsgeschweißten
Rohren, sondern auch bei der Durchführung von anderen
Arten von Stumpfschweißungen Anwendung finden.
Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin
zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Systems
zur Durchführung des Schweißverfahrens
nach der Erfindung,
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht einer Verbindung,
die durch ein Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren
üblicher Art hergestellt
ist,
Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung
des Zusammenhangs zwischen dem Anstiegswinkel
der in Fig. 2 gezeigten Verbindung
und der Zähigkeit des Materials,
Fig. 4 eine Schnittansicht zur Verdeutlichung
des Zusammenhangs zwischen dem Erschmelzen
der zu schweißenden Ränder und der
elektromagnetischen Kraft beim Widerstandsschweißverfahren
üblicher Art,
Fig. 5a eine Schnittansicht zur Verdeutlichung
des Zustands, wenn die geschweißten Ränder
erschmolzen sind,
Fig. 5b eine Schnittansicht zur Verdeutlichung
des Zustands, wenn die Ränder nach dem
Schweißen ohne eine Stauchung sich abkühlen,
Fig. 5c eine Schnittansicht zur Verdeutlichung des
Zustands, wenn die Ränder nach dem Schweißen
durch Stauchen abkühlen gelassen werden,
Fig. 6 ein Modell des durch die Ränder eines Werkstücks
gebildeten Keils, der mittels eines
Hochfrequenzstroms erwärmt wird,
Fig. 7 eine Vertikalschnittansicht der wesentlichen
Teile der Strahlführung, die bei der Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung
Anwendung findet,
Fig. 8a, 8b und 8c Schnittansichten einer Schweißnaht,
die durch den Hochfrequenzstrom während des
Anlegens des Laserstrahls 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
Fig. 9 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Ergebnisse
von Tests, die an Proben der Schweißnaht
durchgeführt wurden, um ihre Zähigkeit
zu bestimmen.
Fig. 1 zeigt ein System, das zur praktischen Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist. Ein Metallband
wird zu einer rohrförmigen oder zylindrischen 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 Strahlenprofilsteuereinrichtung 5 an die
Ränder 2 angelegt, die einen astigmatischen Spiegel, einen
üblichen Spiegel und eine Linse aufweist, so daß die Ränder
2 durch die Joulesche 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 Rohrs)
und der Anodenmetallflußanstiegswinkel entsprechend berücksichtigt
(kleiner 40°).
In den Prozessor/die Steuereinrichtung 11 werden folgende
Informationen eingegeben:
Schweißgeschwindigkeitsdaten (von einem Tachometer
21).
Stauchdaten, Plattendickendaten, Höhendaten und andere Schweißbedingungs- und Steuerdaten.
Tatsächliche Plattendickendaten (von einem Dickensensor (γ-Strahlendickenmeßeinrichtung) 16).
Aktuelle Höhendaten (von einem Höhensensor 15).
Ausnehmungsmittellinienabweichungsdaten Δ C (von einer Recheneinheit 14).
Eine erforderliche Strahlbestrahlungsbreite W LH (von der Recheneinheit 14).
Aktuelle Strahlposition und aktuelles Strahlprofil (von einer Videoanalysierungseinrichtung 23).
Stauchdaten, Plattendickendaten, Höhendaten und andere Schweißbedingungs- und Steuerdaten.
Tatsächliche Plattendickendaten (von einem Dickensensor (γ-Strahlendickenmeßeinrichtung) 16).
Aktuelle Höhendaten (von einem Höhensensor 15).
Ausnehmungsmittellinienabweichungsdaten Δ C (von einer Recheneinheit 14).
Eine erforderliche Strahlbestrahlungsbreite W LH (von der Recheneinheit 14).
Aktuelle Strahlposition und aktuelles Strahlprofil (von einer Videoanalysierungseinrichtung 23).
Es wird eine Videokamera 12, die ein hohes Auflösungsvermögen im
Infrarotbereich hat verwendet. Auf ihrer Kathodenstrahlröhre
wird ein optisches Bild der stumpf aneinanderliegenden
Ränder an einer Stelle erzeugt, die vor einer
zu schweißenden Stelle O um einen vorbestimmten Abstand x
(s. Fig. 6) liegt und sie führt ein Videosignal einer
Videoanalysierungseinrichtung 23 zu, die die Schmelzbreite Wh jedes Rands 2
um einen vorbestimmten Abstand x vor dem zu schweißenden
Punkt O basierend auf dem Videosignal ermittelt und einen
Mittelwert von Wh der Recheneinheit 14 zuleitet, die zuvor
Ausnehmungsmittellinienpositionsdaten enthält (Daten auf
der Mittellinie des Keils). Die Recheneinheit 14 ermittelt
Abweichungen der tatsächlichen Ausnehmungsmittellinie, gegeben
durch das optische Bild, von den gespeicherten Ausnehmungsmittelliniendaten,
um Abweichungsdaten Δ 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
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 Fig. 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 projizierte
Stelle und das Profil des Laserstrahls LB und
die Dicke unterhalb der oberen Fläche. Die Daten betreffend
der erfaßten Höhe (tatsächliche Höhe), die Daten betreffend
der erfaßten Dicke (tatsächliche Dicke), die Daten
betreffend die erfaßte Strahlenposition (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 11
Strahlenprofildaten 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-Anzeigeeinheit
24 zu. Die CRT-Anzeigeeinheit 24 zeigt auf
dem Schirm der Kathodenstrahlröhre ein vorbestimmtes Nutenprofil
und ein vorbestimmtes Strahlprojektionsprofil
(im Block 24 in Fig. 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 Schweißvorgangs liest der Prozessor/
die Steuereinrichtung 11 Daten, die man von tatsächlichen
Messungen erhält und vergleicht dieselben mit den zu Beginn
vorgegebenen Werten (Anfangsschweißbedingungen), um
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 Laserstrahls,
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, während 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 Metallflußanstiegswinkel
unter 40° und die erhaltene geschweißte Verbindung
hat eine hohe Zähigkeit und ist frei von Mängeln.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird die Ausbildung der
Strahlenführung 29 näher beschrieben. Die Strahlenführung
29 weist eine Sammellinse oder Fokussierlinse FL und Übertragungsspiegel
M₁ und M₂ auf. Der Laserstrahl LB ist so beschaffen,
daß er durch die Mittel der Sammellinse oder Fokussierlinse FL geht und durch
die Mitten der Übertragungsspiegel M₁ und M₂ immer reflektiert
wird. Die Strahlenführung 29 weist ferner eine
Wand, bestehend aus einer Basis 29 a, einem Zwischenabschnitt
29 b und einem vorderen Endabschnitt 29 c auf.
Der vordere Endteil 29 c, der im wesentlichen die Form
eines Buchstabens L hat, enthält eine Düse 29 F, 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 29 F, 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 29 c angebracht, der an seinem hinteren Ende
ein vorderes Ende des Zwischenabschnitts 29 b aufnimmt.
Der vordere Endabschnitt 29 c ist um das vordere Ende des
Zwischenabschnitts 29 b drehbar und mittels einer Gleitbewegung
in die Richtungen der Pfeile AD₃ in vertikaler Richtung
bewegbar.
Der Zwischenabschnitt 29 b hat ebenfalls im wesentlichen
die Form eines Buchstabens L und der Spiegel M₁ ist in
der Ecke des L-förmigen Zwischenabschnitts 29 b angebracht.
Der Zwischenabschnitt 29 b, der ebenfalls zu einem Spiegel
auf seiner inneren Fläche endbearbeitet ist, enthält
ein hinteres Ende, das in ein vorderes Ende der Basis
29 a unter Verwirklichung einer teleskopartigen Verschiebebewegung
in den Richtungen der Pfeile AD₁ eingeführt ist.
Die Sammellinse oder Fokussierlinse FL ist an ein hinteres Ende der Basis 24 a
angepaßt, die zu einem Spiegel an ihrer Innenfläche endbearbeitet
ist. Die Basis 29 a ist an ihrem hinteren Ende
an einer Strahlabgabeführung 29 o der Lasereinheit 4 unter
Verwirklichung einer teleskopartigen Gleitbewegung in Richtungen
der Pfeile AD₄ angebracht. Ein rohrförmiges Element
29 E zum Einleiten eines nicht oxidierenden Gases G ist
einteilig mit der Basis 29 a ausgebildet und nimmt eine Inertgaszuführung,
vorzugsweise für ein Heliumgas (He) unter
einem vorbestimmten Druck auf. Das Heliumgas wird von der
Düse 29 f über die Basis 29 a, den Zwischenabschnitt 29 b und
den vorderen Endabschnitt 29 c ausgegeben und gegen die
Schweißstelle gerichtet. Der von der Düse 29 f ausgegebene
Heliumgasstrom bewirkt eine Kühlung der Strahlenführung 29
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 29 F in
Richtung auf den zu schweißenden Punkt längs des Strahlenwegs
des Laserstrahls 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 Laserstrahls LB zwischen der Düse 29 F und der
Schweißstelle gleichförmig. Somit tritt keine Ablenkung des
Laserstrahls LB auf und der Strahl kann auf irgendeine gewünschte
Stelle gerichtet werden.
Die Arbeitsweise der zuvor erörterten bewegbaren Führung 29
läßt sich auf die folgende Weise zusammenfassen:
- 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 Laserstrahls und verminderter Energieverlust.
Obgleich nicht gezeigt, ist die Strahlenführung 29 mit
einer Einrichtung zur Steuerung der Position der Strahlenführung
in den Richtungen AD₁ bis AD₄ 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 Strahls in Richtung der Schweißung (AD₁) (X-Achse).
- 2. Einstellungen der Position des Strahls in horizontaler Richtung (AD₂) (Y-Achse).
- 3. Einstellungen der Position des Strahls in vertikaler Richtung (AD₃) (Z-Achse).
- 4. Einstellungen des Projektionsmusters (AD₄) (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 vorstehend
summarisch aufgeführt sind, werden detailliert
unter Bezugnahme auf Fig. 7 näher erläutert.
Bei dieser Steuerung wird die Fokussierungsposition sowie
die Position der Düse am vorderen Ende der Führung eingestellt.
Der Zwischenabschnitt 29 b wird in den Richtungen
von AD₁ bezüglich der Basis 29 a eingestellt. Der Zwischenabschnitt
29 b (Spiegel M₁) und der vordere Endabschnitt
29 c (Spiegel M₂) bewegen sich als eine Einheit bezüglich
der Basis 29 a, so daß die Position der Düse 29 f einjustiert
werden kann. Wenn die Übertragungsspiegel M₁ und M₂ Spiegel
sind, die eine Krümmung haben, sind die Abstände zwischen
der Sammellinse oder Fokussierlinse FL und den Spiegeln M₁ und M₂ Änderungen
unterworfen, so daß die Charakteristika des zusammengesetzten
Sammelsystems oder Fokussiersystems (Strahlbild am projizierten
Punkt) Änderungen unterworfen ist. Dies bedeutet, daß die
Position der Fokussierung des Strahls und die Position
des Sammelsystems (das Bild des Strahls am projizierten
Punkt) Änderungen unterworfen sind. Somit ist es möglich,
das Profil und die Position des Strahls bezüglich der
bestrahlten Stelle zu steuern und folglich kann das Profil
des Strahls 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.
Durch Drehen des vorderen Endabschnitts 29 c relativ zum
Zwischenabschnitt 29 b kann der Spiegel M₂ (an dem vorderen
Endabschnitt 29 c) 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.
Durch Bewegen des vorderen Endabschnitts 29 c nach oben
und unten in die Richtungen der Pfeile AD₃ wird es möglich,
die vertikale Bewegung des Laserstrahls 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.
Es ist notwendig, daß die Position, gegen die der Laserstrahl
projiziert wird, in Abhängigkeit von Änderungen,
Schwankungen oder Fluktuationen der Dicke des Stahlbands
variierbar ist, aus dem die rohrförmige Gestalt 1 gebildet
wird. Dies ist notwendig, da eine Zunahme der Dicke
des Stahlbands und wenn es bearbeitet wird, wenn die Bodenfläche
des Stahlbands stationär bleibt, seine obere
Fläche (und die Mitte der Dicke) nach oben zu bewegen ist,
wodurch es notwendig wird, es in die Position nach oben zu
bewegen, gegen die der Laserstrahl projiziert wird. Wenn
sich die Dicke ändert, wird der vordere Endabschnitt 29 c
vertikal in die Richtung der Pfeile AD₃ bewegt, um die
Position in Übereinstimmung mit der Mitte der Dicke zu
bringen, gegen die der Laserstrahl projiziert wird. Eine
Änderung der Länge des Strahlwegs, die aus der vorstehend
erörterten Steuerung des Laserstrahls resultiert, wird dadurch
ausgeglichen, daß der Zwischenabschnitt 29 b in die
Richtungen AD₁ bewegt wird.
5. Der Schnittpunkt von LB₁ und LB₂ in LB=LB x=LB₁+LB₂
ist etwa an dem zu schweißenden Punkt angeordnet. Durch
Bewegen der Basis 29 a in die Richtungen AD₄ ist es möglich,
den Schnittpunkt nach vorne und hinten bezüglich
des Schweißpunkts zu bewegen, wodurch eine Änderung
bei der Länge der Überlappung von LB₁ und LB₂ auftritt.
Somit läßt sich die Länge der Überlappungen durch die Bewegung
der Basis 29 a in die Richtungen AD₄ einstellen (Einstellung
des Projektionsmusters).
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 1
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 Laserstrahls LB befindet, wenn
Messungen für die Videodaten von der zu erwärmenden Position
und des Profils des Strahls 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 durchgehenden 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 Laserstrahls bezeichnen),
Bilddaten, die die Positionen der oberen und unteren Flächen
der rohrförmigen Gestalt 1 und die Position angeben,
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
Δ 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 Hochfrequenzleistung,
das Profil und die Energie des Laserstrahls,
basierend auf diesen tatsächlichen Messungen,
erhalten durch die Recheneinheit 14, den Tachometer 21,
den Höhensensor 15, den Dickenmesser 16 und die Kamera 22
nach und die Steuerbefehle für die optische Systemsteuereinrichtung
17 und die Lasersteuereinrichtung 18 werden
synchron mit dem Fortschreiten des Schweißvorgangs 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 Schweißvorgangs 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 Bedingungen zu optimieren, unter der die Schweißung
erfolgt.
Die CRT-Anzeigeeinheit 25 zeigt die Bedingungen an, unter
denen die Schweißung erfolgt (Erschmelzung 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 Strahls (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 Strahls
(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 Übereinstimmung mit den tatsächlichen
Bedingungen zu erzielen, unter denen die Schweißung
erfolgt.
Einrichtungen zum Erfassen der Position und des Profils
des Laserstrahls 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 Fig. 1 werden das Muster des
Laserstrahls 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 Laserstrahls 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 Bilds des
projizierten Strahls. Dann wird die Erzeugungsenergie
des Strahls 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 Rands befinden, gerichtet werden und sich dann
von einem Rand zum gegenüberliegenden Rand bewegen, so
daß die Energiedichte im Raum, der durch die Wände der
keilförmigen Ausnehmung umgeben ist, 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.
Ein Metallband einer Plattendicke t von 12,7 mm wurde
unter den Schweißbedingungen geschweißt, die einen Laser
. . . 5 kW, einen Hochfrequenzstrom . . . 270 kW, eine Schweißgeschwindigkeit
. . . 12 m/min und einen Metallfließwinkel
. . . 35° umfassen, in dem der Durchmesser des Laserstrahls
auf die folgende Weise variiert wurde:
a) Durchmesser des Laserstrahls|0,25 t | |
b) Durchmesser des Laserstrahls | 0,3 bis 0,8 t |
c) Durchmesser des Laserstrahls | 0,9 t |
Hierbei erhielt man die folgenden Resultate. Wenn der
Durchmesser des Laserstrahls 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 Fig. 8a
gezeigt ist. Das Überschmelzen des Mittelteils und die Erstarrungsschrumpfung
in den Ecken war für mangelhafte Schweißnähte
verantwortlich. Wenn der Durchmesser des Laserstrahls
0,3 bis 0,8 t war, trat eine gleichförmige Erschmelzung in
Richtung der Plattendicke und Poren auf, die sich infolge
der Erstarrungsschrumpfung bildeten, die aber außerhalb
des Bereichs der Plattendicke lagen, wie dies in Fig. 8b
gezeigt ist. Die Schweißnaht war frei von Mängeln und die
Verformung der durch Wärme beeinflußten Zone war minimal.
Wenn der Durchmesser des Laserstrahls 0,9 t war,
war die Erwärmungseffizienz gering und der Mittelteil war
nur unzulänglich erschmolzen, was zu einer Kaltverschweißung
führte, wie dies in Fig. 8c gezeigt ist.
Fig. 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 Laserstrahls mit
einem Durchmesser von 0,3 bis 0,8 t gebildet wurden. Die
beim üblichen Verfahren erhaltenen und gezeigten Resultate
ergeben sich bei in Fig. 5c gezeigten Proben.
Elektrisch widerstandsgeschweißte Rohre (Außendurchmesser 406 mm
und Dicke 16 mm) wurden aus einem Stahlband (API 51X-X70)
unter Verwendung eines elektrischen Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahrens
üblicher Art und eines elektrischen
Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahrens kombiniert
mit der Bestrahlung eines Laserstrahls
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 Laserstrahlung
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 Wh₀, die sich in Breitenrichtung
des Werkstücks ergibt, und die Schmelze Wv₀,
die sich in der Dicke des Werkstücks an der Spitze des
Keils ergibt, wurden mit Hilfe des Prozessors/der Steuereinrichtung
11 ermittelt (s. Fig. 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 Metallflußanstiegswinkel 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 Schweißvorgangs wurde die äußere Oberfläche
der Schweißnaht bei 1000°C mittels einer Nahtwärmebehandlungseinrichtung
wärmebehandelt. Für die 2 mm V Charpy
Stoßprüfungen wurden Proben 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.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß man
Schweißnähte mit hoher Zähigkeit entsprechend Fig. 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 Metallflußanstiegswinkel ist klein.
Claims (5)
1. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren kombiniert
mit einer Bestrahlung von einem Laserstrahl mit
den Schritten:
- a) kontinuierliches Zuführen eines bandförmigen Werkstücks und Formen der gegenüberliegenden Ränder desselben zu einer Keilgestalt, indem diese konvergierend zusammengeführt werden,
- b) Erwärmen der gegenüberliegenden Ränder mittels eines elektrischen Hochfrequenzstroms, und
- c) Richten eines Laserstrahls mit bestimmtem Strahlquerschnittsprofil und Energie gegen die keilförmig aneinander gelegten Ränder des Werkstücks von seiner offenen Seite her, um diese hierdurch auf Schweißtemperatur zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in vorbestimmter Position gegen die Spitze der keilförmig aneinander gelegten Ränder des Werkstücks gerichtet ist und sein Strahlquerschnittsprofil einen Bereich von größer 30% und kleiner 80% der Dicke des Werkstücks einschließlich der Mitte überdeckt.
2. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren kombiniert
mit einer Bestrahlung von einem Laserstrahl nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlquerschnittsprofil
und die Energie des Laserstrahls in Abhängigkeit
von der Schweißgeschwindigkeit und den physikalischen
Eigenschaften des Werkstücks so eingestellt werden,
daß eine möglichst kleine Stauchung beim Schweißvorgang
erzeugt wird, wobei die keilförmig aneinander gelegten
Ränder in Richtung der Dicke in großem Maße erschmolzen
werden, während die Erschmelzung in Längsrichtung minimal
gehalten wird.
3. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren kombiniert
mit einer Bestrahlung von einem Laserstrahl nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionssensor
und ein Dickensensor an den keilförmig aneinander
gelegten Rändern angeordnet sind, um die Position der
aneinander gelegten Ränder und der Dicke des Werkstücks
zu überwachen, und daß das Zentrum des Laserstrahls, basierend
auf den durch die Überwachung erhaltenen Informationen,
in eine vorbestimmte Position in der Dicke des
Werkstücks gebracht wird.
4. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren kombiniert
mit einer Bestrahlung von einem Laserstrahl nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schmelze in den Ecken der aneinander gelegten Ränder gemessen
wird und daß, basierend auf der Messung der
Schmelze, wenigstens eine der Größen Energie des Laserstrahls,
Querschnittsprofil des Laserstrahls an der
Stelle, gegen die er gerichtet ist, und Hochfrequenzstrom
gesteuert wird.
5. Elektrisches Hochfrequenzwiderstandsschweißverfahren kombiniert
mit einer Bestrahlung von einem Laserstrahl nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Stauchkraft
auf das Werkstück derart ausgeübt wird, daß ein Metallflußanstiegswinkel
der wärmebeeinflußten Zone kleiner 40°
ist.
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