DE3879589T2

DE3879589T2 - Schweissverfahren mit einem energiestrahl hoher leistungsdichte in verbindung mit einem widerstandsstumpf-schweissverfahren und vorrichtung hierzu.

Info

Publication number: DE3879589T2
Application number: DE8888114343T
Authority: DE
Inventors: Yasunobu C O Nippon S Miyazaki; Taizo C O Nippon Stee Nakamura; Tohru C O Nippon Steel C Saito
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-09-04
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2008-09-03
Also published as: EP0306036A1; EP0306036B1; CA1308784C; US4899030A; DE3879589D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißverfahren mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte in Verbindung mit einem Widerstandsstumpf-Schweißverfahren für das Schweißen von Metallplatten, Blechen und Drähten, oder daraus geformter oder maschinell bearbeiteter Teile, und eine Vorrichtung hierzu.
Herkömmlich wurden die Widerstandsstumpf-Schweißverfahren, wie z.B. das Stumpfschweißen oder das Abbrennstumpfschweißen, oder Schweißverfahren mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte, die einen Laser, Elektronenstrahl, usw. verwenden, häufig für die Verbindung von Metallplatten, Blechen und Drähten oder daraus geformter oder maschinell bearbeiteter Teile, speziell solcher mit relativ kleiner Dicke oder kleinen Durchmesser, eingesetzt.
Das Widerstandsstumpf-Schweißverfahren umfaßt das Festklemmen zweier miteinander zu verschweißender Teile auf einer festen Elektrode und auf einer beweglichen Elektrode, das Heranführen der beweglichen Elektrode an die feste Elektrode, um die Stoßkanten der Teile aneinander zu bringen, und die Einspeisung eines elektrischen Stroms in die Teile, während ein vorgegebener Anpreßdruck auf die Stoßkanten gegeben wird, um die Teile mit ihrer durch den Teilewiderstand und durch den Kontaktwiderstand der Stoßflächen erzeugten Wärme zu aufzuheizen, um so eine plastische Verformung in den Teilen zu erzeugen und die Teile miteinander zu verschweißen.
Das Abbrennstumpfschweißverfahren wird mit den gleichen Schweißschritten und mit derselben Anordnung wie in dem oben beschriebenen Widerstandsstumpf-Schweißverfahren durchgeführt, mit der Ausnahme, daß während des Schweißvorgangs zwischen den Teilen Lichtbögen erzeugt werden, um eine Aufheizung mit höherem Wirkungsgrad zu gewährleisten.
Diese Widerstandsschweißverfahren weisen große wirtschaftliche Vorteile auf, wie das Vermeiden von Füllmaterial, eine höhere Effizienz aufgrund einer kürzeren Schweißzeit, und dadurch, daß die Stoßflächen der zu verbindenden Teile nicht mit hoher Genauigkeit bearbeitet sein müssen.
Zusätzlich haben diese Methoden den Vorteil, daß alle Bereiche der Kantenstoßflächen gleichzeitig miteinander verbunden werden, so daß Störungen aufgrund des Temperaturgradienten der Schweißung kleiner sind als die, die in Lichtbogen- oder Strahlschweißverfahren verursacht werden, in denen die Kanten der Teile sequentiell entlang der Schweißnaht ausgehend von einem zum anderen Ende miteinander verschweißt werden.
Im Vergleich zwischen dem Abbrennstumpfschweißen und dem Widerstandsstumpfschweißen ist das erstere auch dann durchführbar, wenn die Kantenbearbeitung gröber ist, während letzteres besser für die Automatisierung einer Schweißstraße geeignet ist, die eine saubere Arbeitsumgebung erfordert, da keine Lichtbögen während des Schweißvorgangs erzeugt werden.
Widerstandsstumpf-Schweißverfahren sind z.B. in JP-A-61- 38787 und JP-A-61-38788 beschrieben.
Das Schweißverfahren mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte umfaßt Teile, die einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl hoher Leistungsdichte auf die Stoßkanten der zu verbindenden Teile strahlen, um die Stoßkanten zu schmelzen und zu verschweißen. Dieses Schweißverfahren wurde in großem Umfang eingesetzt, weil es große technische und wirtschaftliche Vorteile bietet, da der Einsatz konzentrierter Wärme mit hoher Energiedichte kleinere aufgeheizte und geschmolzene Bereiche in den Teilgliedern und kleinere Bereiche der Teile ergibt, in denen die Materialeigenschaften verändert und geometrische Verformungen ausgelöst werden.
Trotz der oben genannten Vorteile weisen die Stumpfschweißverfahren die folgenden Nachteile auf:
(1) Sie erfordern eine hohe elektrische Leistung zur Aufheizung und eine hohe mechanische Kraft für den Schweißdruck.
(2) Der an den Schnittstellen der Stoßkanten gebildete Metallüberstand muß nach dem Schweißen bearbeitet werden. Das Bearbeiten erfordert einen zusätzlichen Schritt und ergibt sowohl eine erhöhte Schrittanzahl, als auch erhöhte Verluste an Schweißmaterial mit nur verringerter Ausbeute.
(3) Defekte wie Oxidschlacke und ungenügende Aufheizung und Defekte aufgrund des Anpreßdrucks tendieren dazu, in den zusammengefügten Schnittstellen, besonders in den geschweißten Kantenbereichen der Teile, zu verbleiben. Da es für diese Defekte keine anwendbare zerstörungsfreie Prüfmethode gibt, muß die Gleichmäßigkeit der Produktqualität mittels einer zerstörenden Prüfung auf Stichprobenbasis sichergestellt werden. Dadurch erhöhen sich die Qualitätsgarantiekosten für Produkte, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen müssen.
Dagegen weist das Strahlschweißen mit hoher Energiedichte folgende Nachteile auf:
(1) Der Einsatz einer konzentrierten Wärmequelle erfordert eine hohe Genauigkeit in der Werkstückjustierung und folglich einen hohen Aufwand für die Kantenvorbereitung. Zur Lösung dieser Probleme ist ein Verfahren in JP-A-57-160582 offenbart, in dem eine Vor-Schweißung vor der Haupt-Schweißung durch Bestrahlung mit einem Strahl hoher Energiedichte durchgeführt wird.
(2) Die schnelle Aufheizung und Abkühlung der Schweißobjekte führt zu extremer Härtung und unerwünschten Änderungen in den Materialeigenschaften.
(3) Jeder Mangel an Schweißmetall tendiert dazu, Defekte in der Schweißraupe zu verursachen, wie z.B. das Fehlen von Schweißmetall in den Kantenbereichen der Schweißteile, sowohl an den Endpunkten, als auch Unterschnitte und Einfälle in den Schweißschnitten, die nach Abschluß der Schweißung nicht repariert werden können, oder die die mechanische Festigkeit negativ beeinflußen.
JP-A-57-202985 offenbart ein elektrisches Schweißverfahren, in dem zuerst ein elektrischer Kontakt durch eine Laserbestrahlung auf gebaut und dann die Joule'sche Erwärmung durch elektrische Leitung bewirkt wird. Diese Methode ist für die Schweißung zweier Materialien mit merklichen Unterschieden in der Wärmekapazität vorgesehen.
EP-A-0,248,143 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbindung von Metallstreifen mittels Abbrennstumpfschweißung oder Laserschweißung. Es offenbart jedoch nicht die kombinierte Betriebsweise dieser zwei Schweißverfahren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nicht nur die bloße Kombination der oben beschriebenen Schweißverfahren mit dem Ziel, die Nachteile der zwei Verfahren gegenseitig aufzuheben, oder die Kompensation der Nachteile der einen Methode mit den Vorteilen der anderen, sondern die Schaffung eines wirklich neuen Schweißverfahrens.
Diese Aufgabe ist mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform der Systemkonfiguration gemäß vorliegender Erfindung darstellt;
Fig. 2 ein Zeitablaufdiagramm, das den Zeitverlauf der elektrischen Leitung darstellt, um die schnelle Aufheizung oder Kühlung der Schweißobjekte abzuschwächen;
Fig. 3 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig.1 zeigt die Grundkonfiguration eines Widerstands-Stumpfschweißsystems als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 ist eine Zuschnittplatte. 3 ist ein hydraulischer Zylinder zur Aufgabe einer Anpreßkraft auf die Zuschnittplatten 1, um sie gegeneinander auf Stoß zu bringen. 4 ist ein hydraulischer Zylinder zum Festklemmen der Zuschnittplatte 1. 5 ist eine Düse zum Abstrahlen eines Kohlenstoffdioxid-Laserstrahls. Diese Düse kann auch ein Argon- oder Heliumgas zur Bearbeitung abstrahlen. 6 ist eine Führung für die Bewegung des Lasers entlang der Schnittstelle, d.h. eine Laserstrahlübertragungsleitung. 2 ist ein Leistungstransformator zur Versorgung der Platten 1 mit elektrischem Strom. Dieser Transformator wird sowohl während der Druckausübung als auch vor, während und nach der Bestrahlung durch den Laserstrahl betrieben.
Da die Zuschnittplatten 1 während der Stumpfschweißung leitend sind, werden sie durch die in den aneinanderliegenden Teilen der Platten 1 erzeugte Widerstandswärme aufgeheizt und aufgeweicht. Der Druck ergibt eine plastische Verformung in den Stoßflächen der Platten 1, indem ihre aufgeheizten Stoßflächen gegeneinandergedrückt werden, um so eine gute Anlage der Stoßflächen zu erreichen und einen kleinen Metallüberstand zu bilden. Auf diese Weise erhält man das spaltenfreie Aneinanderliegen der Platten 1, und der kleine Metallüberstand dient als Ersatz für Schweißmaterialien, wenn mit einem Strahl hoher Energiedichte bestrahlt wird. Daher entspricht die Dicke der Platten 1, die durch die Bestrahlung mit dem Strahl hoher Energiedichte zu schmelzen sind, der ursprünglichen Dicke jeder Platte 1 plus der Höhe des Überstandsmetalls, das bei der vorhergehenden Stumpfschweißung gebildet wurde. Die Höhe des Metallüberstands hängt von dem Strom und dem Anpreßdruck bei der Stumpfschweißung ab. Demzufolge muß die Leistung des Strahls mit hoher Energiedichte von dem Preßdruck und dem Wärmeeintrag durch die Joule'sche Wärme während der vorausgegangenen Stumpfschweißung abhängen. Dann schmilzt die Bestrahlung mit dem Strahl mit hoher Energiedichte die unvollständigen Stoßflächen der vorausgegengenen Stumpfschweißung auf und verschweißt die Flächen der Platten 1 vollständig miteinander.
Der in die Platten 1 in einem oder mehreren Arbeitschritten vor, während und nach der Bestrahlung mit dem Strahl hoher Energiedichte nach dem Stumpfschweißen eingespeiste elektrische Strom erzeugt in den Stoßflächen und metallischen Materialien Wärme, um jegliches schnelle Aufheizen oder schnelle Abkühlen der durch den Strahl mit hoher Energiedichte zu schweißenden Platten 1 abzuschwächen, und damit jede übermäßige Härtung der Schweißnaht zu verhindern. Fig.2 zeigt ein Beispiel des Zeitablaufs der elektrischen Stromeinspeisung.
Wenn der Strahl mit hoher Energiedichte ein Laserstrahl ist, kann auch Argongas oder jedes andere Prozessgas auf die metallischen Materialien geblasen werden, um das Schmelzen zu erleichtern. Wenn das Argongas benutzt wird, ergibt sich durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl ein großer Schmelzbereich. Wenn Heliumgas benutzt wird, ist der Schmelzbereich kleiner als in dem Falle mit Argongas. Ob Argon- oder Heliumgas als Prozessgas, oder ob die Mischung dieser Gase oder irgend ein anderes Gas eingesetzt wird, muß unter Beachtung der metallurgischen Eigenschaften der Schweißobjekte, der Form des Metallüberstands und der Dicke der Platten 1 entschieden werden.
Diese Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Schweißsystem, das eine Stumpfschweißmaschine und eine Kohlendioxidlaser-Bearbeitungsmaschine umfaßt. Es ist jedoch auch möglich, eine Stumpfschweißmaschine und eine Laserbearbeitungsmaschine getrennt zu installieren, um so die zuvor stumpfgeschweißten Materialien der Schmelzschweißung in der Laserbearbeitungsmaschine zuzuführen und zu unterziehen. Nach der Vor-Stumpfschweißung ist es auch möglich, die Materialien der Schmelzschweißung durch einen Elektronenstrahl zu unterziehen.
Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben, wobei JIS G3131 SPHC Materialien (30 mm breit und 3,1 mm dick) einer Wechselstrom-Stumpfschweißung und einer Laserschweißung unterzogen werden. In dieser Ausführungsform werden eine Stumpfschweißmaschine und eine Kohlendioxidlaser-Bearbeitungsmaschine eingesetzt.
Die Vor-Stumpfschweißung wurde unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen ausgeführt, wahrend die Laserbestrahlungsbedingungen in Tabelle 2 gezeigt sind. Tabelle 1 zeigt, daß die mechanische Kraft und die benötigte elektrische Leistung für die Vor-Stumpfschweißung ausreichend niedriger sind als wie für das normale Stumpfschweißen, bei dem die Schweißstromdichte von 170 A/mm² und die Anpreßkraft von ca. 98.1 MPa (10kg/mm²) erforderlich sind, um ein sehr gutes Schweißergebnis zu erreichen.
Tabelle 3 zeigt die durch die vorliegende Erfindung erzielten Schweißergebnisse im Vergleich mit den Ergebnissen der konventionellen Schweißverfahren. Tabelle 4 zeigt die Schweißeffizienz dieser Schweißverfahren. Diese Tabellen zeigen, daß das Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung den konventionellen Verfahren in vielen Aspekten überlegen ist. Tabelle 1 Bedingungen der Vor-Stumpfschweißung Spitzenwert gemittelter Wechselstrom: Anpreßdruck: Zeit der Widerstandsschweißung: Stauchungslänge: Hinweis: Die widerstandsschweißzeit ist in Wechselstromperioden (50 Rz) angegeben. Tabelle 2 Bedingungen der Laserbestrahlung Laserausgangsleistung Schweißgeschwindigkeit Durchflußrate des Prozessgases Tabelle 3 Verfahren Stumpf-Schweißen Laser-Schweißen Schweißen gemäß dieser Erfindung Zugfestigkeit Biegefestigkeit Aussehen Schweißrand nicht geschmolzen nein Unterschnitte Metallüberstand ja nein groß klein O: sehr gut Δ: gut X: schlecht Tabelle 4 Verfahren Ausbeute Vor-und Nachbearbeitungszeit Stumpfschweißen (1) Laserschweißen (2) Schweißen gemäß dieser Erfindung (3) schlecht gut lang kurz
Nachfolgend erfolgt hierin eine detaillierte Beschreibung einer Stumpfschweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt das Aussehen eines mechanischen Teils in einer Ausführungsform des Systems gemaß der vorliegenden Erfindung. Für ein leichteres Verständnis ist der Mechanismus zum Bewegen eines Laserbrenners 23 entlang einer Schweißnaht, zusammen mit einem Laserbrennerträger 13 von einem Maschinengestell 9 entfernt und weggehoben.
Eine feste Stütze 32 und eine Stütze 35 sind senkrecht auf einer Grundplatte 31 für die Stumpfschweißeinheit montiert. Zwischen den Stützen 32 und 35 sind Führungstraversen 33&sub1; und 33&sub2; horizontal angeordnet und an den Stützen 32 und 35 befestigt. Ein Elektrodenstützblock 34 ist in der Weise auf den Führungstraversen 33&sub1; und 33&sub2; montiert, daß er in der X- Richtung frei beweglich ist.
Das Ende einer ersten Elektrode 10&sub1;&sub1;, das sich in y- Richtung erstreckt, ist an der festen Stütze 32 befestigt. Ein Elektrodenstützblock (nicht gezeigt) ist an der festen Stütze 32 in der Weise montiert, daß er vertikal (oder in der z- Richtung) bewegt werden kann. Eine zweite sich in die y- Richtung erstreckende Elektrode 10&sub1;&sub2; ist an diesem Elektrodenstützblock befestigt. Ein Hydraulikzylinder 36 ist zwischen diesem Elektrodenstützblock und der festen Stütze 32 eingefügt. Die obere und untere Kammer des Hydraulikzylinders 36, die durch die Kolbenstange aufgeteilt sind, sind an eine Hochdruck- beziehungsweise an eine Niederdruckleitung angeschlossen, so daß dann, wenn ein Kolben nach unten bewegt wird, um die Kolbenstange aus dem Zylinder zu drücken, die zweite Elektrode 10&sub1;&sub2; nach oben bewegt und gegen die erste Elektrode 10&sub1;&sub1; auf Anschlag gehen kann. Wenn dann ein Rundmaterial 100 als Stumpfschweißobjekt zwischen die Elektroden plaziert wird, wird dieses zwischen den Elektroden 10&sub1;&sub1; und 10&sub1;&sub2; durch diese zusammengepreßt.
Eine dritte sich in y-Richtung erstreckende Elektrode 10&sub2;&sub1; ist an dem Elektrodenstützblock 34 mittels eines isolierenden Materials befestigt. An dem Elektrodenstützblock 34 ist ein anderer Elektrodenstützblock 52 in der Weise befestigt, daß er vertikal (oder in der z-Richtung) bewegt werden kann. Eine vierte Elektrode 10&sub2;&sub2; ist an dem Elektrodenstützblock 52 mittels eines isolierenden Materials befestigt. Ein Hydraulikzylinder 7 ist zwischen dem Elektrodenstützblock 52 und dem Elektrodenstützblock 34 eingefügt. Der Zylinder 7 ist an dem Block 52 befestigt, während eine Kolbenstange an dem Block 34 befestigt ist. Die obere und untere Kammer des Hydraulikzylinders 7, die durch die Kolbenstange aufgeteilt sind, sind an eine Hochdruck- beziehungsweise an eine Niederdruckleitung angeschlossen, so daß dann, wenn ein Kolben nach unten bewegt wird, um die Kolbenstange aus dem Zylinder zu drücken, die vierte Elektrode 10&sub2;&sub2; nach oben bewegt und gegen die dritte Elektrode 10&sub2;&sub1; auf Anschlag gehen kann. Wenn dann ein Rundmaterial 100 als Stumpfschweißobjekt zwischen die Elektroden plaziert wird, wird dieses zwischen den Elektroden 10&sub2;&sub1; und 10&sub2;&sub2; durch diese zusammengepreßt.
Ein Hydraulikzylinder 8 ist zwischen dem Elektrodenstützblock 34 und der Stütze 35 eingefügt. Der Zylinder 8 ist an dem Block 34 befestigt, während eine Kolbenstange an der Stütze 35 befestigt ist. Die linke und rechte Kammer des Hydraulikzylinders 8, die durch die Kolbenstange aufgeteilt sind, sind an eine Hochdruck- beziehungsweise an eine Niederdruckleitung angeschlossen, so daß dann, wenn ein Kolben nach rechts bewegt wird, um die Kolbenstange aus dem Zylinder 8 zu drücken, der Elektrodenstützblock 34 nach links bewegt werden kann, um die dritten und vierten Elektroden 10&sub2;&sub1; und 10&sub2;&sub2; nach links zu verschieben. Wenn das eine Endteil des Rundmaterials 100 zwischen den ersten und zweiten Elektroden 10&sub1;&sub1; und 10&sub1;&sub2; durch diese gepreßt wird, während das andere Endteil des Rundmaterials 100 zwischen den dritten und vierten Elektroden durch diese, wie oben beschrieben, gepreßt wird, wird das eine Endteil des Rundmaterials 100 gegen sein anderes Endteil mit einer auf die Endflächen (Stoßflächen) der zwei Endteile ausgeübten Anpreßkraft gedrückt. Unter dem Druck der Anpreßkraft werden die Stoßflächen durch Einspeisen einer Stumpfschweißspannung in die ersten und dritten Elektroden 10&sub1;&sub1; und 10&sub2;&sub1; miteinander Widerstands-verschweißt. Zur selben Zeit werden die Endflächen aufgeweicht, um ringförmige Vorsprünge an den zwei Enden in der Nähe der Stoßflächen zu bilden. Mit anderen Worten, der Querschnitt einschließlich der Schweißnaht hat die Form eines M.
An der festen Stütze 32 ist ein Maschinenrahmen 9 mit der Form einer " ] " befestigt, der sich in y-Richtung erstreckt und durch den eine sich in y-Richtung erstreckende Gewindespindel 11 frei rotierbar unterstützt wird, und auf dem eine Führungsstange 12&sub1; parallel zur Spindel befestigt ist. Zwischen der festen Stütze 32 und dem Maschinenrahmen 9 ist eine andere Führungsstange 12&sub2; parallel zur Spindel 11 starr angebracht. Das Ende der Gewindespindel 11 ist durch den Maschinenrahmen 9 hindurch mit der Abtriebswelle eines Reduktionsgetriebes 53 verbunden. Die Antriebswelle des Reduktionsgetriebes 53 ist mit der Laufwelle eines elektrischen Motors My und der eines Rotationsenkoders RE1 verbunden. Dieser Rotationsenkoder RE1 erzeugt einen elektrischen Impuls pro vorgegebener Winkeldrehung der Antriebswelle des Reduktionsgetriebes 53.
Wie in Fig. 3 getrennt gezeigt, ist die Gewindespindel 11 durch die Gewindebohrung einer Schraubenmutter (weibliche Schraube) geführt und verbunden, die starr auf dem Laserbrennerträger 13 befestigt ist. Auf dem Laserbrennerträger 13 starr montierte Führungssitze 15&sub1; und 15&sub2; mit einem konkaven Querschnitt sind mit den Führungsstangen 12&sub1; und 12&sub2; verbunden und werden durch diese gestützt. Folglich dreht sich die Gewindespindel 11 in normaler Richtung, um den Laserbrennerträger 13 vorwärts (in der Richtung von der Vorderseite zur Rückseite des Blattes, auf dem Fig. 3 dargestellt ist) zu bewegen, wenn sich der Motor My in normaler Richtung dreht. Wird die Drehrichtung des Motors umgekehrt, wird auch die Drehrichtung der Gewindespindel 11 umgekehrt, um den Laserbrennerträger 13 rückwärts (in der Richtung von der Rückseite zur Vorderseite des Blattes, auf dem Fig. 3 dargestellt ist) zu bewegen. Der Laserbrennerträger 13 ist mit einen Grenzwertschalter S1 ausgerüstet. Wenn der Laserbrennerträger 13 beim Rückwärtsfahren die Nähe des Grenzwertschalters S1 erreicht, stößt das Auslöseelement des Grenzwertschalters S1 gegen den Maschinenrahmen 9, um den Grenzwertschalter S1 in den offenen Zustand zu versetzen und folglich den in Rückwärtsdrehung eingeschalteten Motor My (oder die Rückwärtsbewegung) zu stoppen.
Auf dem Laserbrennerträger 13 sind eine Gewindespindel 17 und Führungsstangen 18&sub1; und 18&sub2; (18&sub2; nicht gezeigt) in ähnlicher Konstruktion wie die Gewindespindel 11 und die Führungsstangen 12&sub1; und 12&sub1; in x-Richtung angeordnet.
Die Gewindespindel 17 verläuft durch eine Gewindemutter (nicht gezeigt), die auf einem anderen Laserbrennerträger 19 befestigt ist. Auf dem Laserbrennerträger 19 starr montierte Führungssitze 21&sub1; und 21&sub2; (21&sub2; nicht gezeigt) mit einem konkaven Querschnitt sind mit den Führungsstangen 18&sub1; und 18&sub2; verbunden und werden durch diese gestützt. Die Abtriebswelle des Reduktionsgetriebes 54 ist mit dem Ende der Gewindespindelspindel 17 verbunden, während die Antriebswelle des Reduktionsgetriebes 54 mit einem Motor Mx und einem Rotationsenkoder RE2 verbunden ist. Wenn der Motor Mx sich normal dreht, dreht sich die Gewindespindel 17 ebenfalls in normaler Richtung, um den Laserbrennerträger 19 vorwärts (oder nach links) relativ zum Laserbrennerträger 13 zu bewegen. Wird die Drehrichtung des Motors Mx umgekehrt, wird auch die Drehrichtung der Gewindespindel 17 umgekehrt, um den Laserbrennerträger 19 rückwärts (oder nach rechts) relativ zum Laserbrennerträger 13 zu bewegen. Der Laserbrennerträger 19 ist ebenfalls mit einen Grenzwertschalter 52 ausgerüstet. Wenn der Laserbrennerträger 19 beim Rückwärtsfahren die Nähe des Grenzwertschalters 52 erreicht, stößt das Auslöseelement des Grenzwertschalters 51 gegen den Laserbrennerträger 13, auf dem die Gewindespindeln 11 und 17 montiert sind. Als Ergebnis wird der Grenzwertschalter 52 in den offenen Zustand versetzt, um den in Rückwärtsdrehung eingeschalteten Motor Mx (oder die Rückwärtsbewegung) zu stoppen.
Auf dem Laserbrennerträger 19 ist eine Spiegelbox 22&sub8;, die mit einem Laserbrenner 23 gekoppelt ist, montiert. Eine Strahlführung 22&sub6; ist in eine an der Spiegelbox 22&sub8; befestigte Strahlführung 22&sub7; eingesetzt, die Strahlführung 22&sub6; ist an einer Spiegelbox 22&sub4; befestigt, die auf dem Laserbrennerträger 19 über eine Stütze 22&sub5; befestigt ist. Eine andere Strahlführung 22&sub3; ist an der Spiegelbox 22&sub4; befestigt. Eine Strahlführung 22&sub2; für eine einen Laserstrahl aussendende-Vorrichtung 22&sub1; ist in die Strahlführung 22&sub3; eingesetzt. Die Strahlführung 22&sub7; kann vorwärts und rückwärts in der x- Richtung relativ zur Strahlführung 22&sub6; bewegt werden. Die Strahlführung 22&sub3; kann vorwärts und rückwärts in der y- Richtung relativ zur Strahlführung 22&sub2; bewegt werden. Die einen Laserstrahl aussendende Vorrichtung 22&sub1; ist auf einer Bodenstütze (nicht gezeigt), getrennt von den oben beschriebenen Teilen, befestigt.
Auf dem Laserbrennerträger 13 sind eine TV-Kamera 24 und eine Beleuchtungslampe 25 montiert. Demzufolge wird der Laserbrennerträger 13 in dieser Ausführungsform nur in der y- Richtung relativ zum Maschinenrahmen 9 bewegt, so daß die TV- Kamera 24 und die Beleuchtungslampe 25 ebenfalls nur in der y- Richtung bewegt werden, während der Laserbrennerträger 19 in den beiden x- und Y-Richtungen relativ zum Maschinenrahmen 9 bewegt wird, so daß der Laserbrenner 23 auch in beiden y- und x-Richtungen bewegt wird. Die TV-Kamera 24 und die Beleuchtungslampe 25 sind gerade oberhalb der Position angebracht, die etwas von den rechten Seiten der Elektroden 10&sub1;&sub1; und 10&sub1;&sub2; nach rechts in x-Richtung abweicht, d.h. an der Position, an der die Schweißnaht im erwartetem Stumpfschweißprozess gebildet wird, und sie werden durch den Motor My aus der x-Position in die y-Richtung bewegt. Zum gleichen Zeitpunkt wird der Laserbrenner 23 auch in der y- Richtung bewegt, und er wird weiter in der x-Richtung bewegt, wenn der Motor Mx angetrieben wird. Der Laserbrenner 23 wird in der x-Richtung entsprechend der Schweißnahtabweichung in der x-Richtung gesteuert, so daß er seinen gesendeten Laserstrahl, während seiner Bewegung in der y-Richtung, immer auf die Mitte der Schweißnahtbreite fokussieren kann.
Selbstverständlich kann die Vorrichtung gemaß der vorliegenden Erfindung nicht nur für das Stumpfschweißen von Rundmaterialien, sondern auch für Plattenendflächen, Gurt- und Bandmaterial eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung hat die folgenden Effekte, um einen großen Kostenbeitrag für die Industrie zu leisten.
1. Das Vor-Stumpfschweißen kann die für die Laserschweißung notwendige Abfasung zwischen den Schweißobjekten leisten, da nur das Laserschweißen einen Abfasungs-Bearbeitungsschritt vor dem Schweißprozess erfordert. Damit eliminiert das Schweißverfahren der vorliegenden Erfindung den Abfasungs-Bearbeitungsschritt und kann trotzdem das Laserstrahlschweißen einsetzen.
2. Fehlstellen, die leicht durch das Stumpfschweißen in Stoßflächen erzeugt werden, können durch die Laserbestrahlung einfach aufgeschmolzen und verrührt werden.
3. Die in den Schweißnähten ausgebildeten Metallüberstände können kleiner als die durch die Stumpfschweißung ausgebildeten Überstände sein, so daß die Nachbearbeitungen und die Materialverluste bei erhöhter Ausbeute niedriger werden und die Bearbeitungsnebenkosten reduziert werden. Zusätzlich ist der Bedarf an elektrischer Leistung und mechanischer Kraft nicht so hoch wie bei dem Stumpfschweißen.
4. Die kleinen, bei der Vor-Stumpfschweißung erzeugten, Metallüberstände dienen als Ersatz für das Füllmetall und können die Erzeugung von Schweißperlendefekten, die ein Nachteil des Laserschweißens sind, verhindern.
5. Unerwünschte Veränderungen der Schweißobjekte in den metallurgischen Eigenschaften, die leicht durch das extrem schnelle Aufheizen und Abkühlen während des Laserschweißens verursacht werden, können durch die elektrische Stromleitung, die die Abkühlrate steuern kann, abgeschwächt werden.

Claims

1. Strahlschweißverfahren mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte in Verbindung mit Widerstandsstumpfschweißen, das umfaßt die Ausbildung einer durchgehenden Schweißnaht mittels Widerstandsstumpfschweißen entlang Stoßkanten von vorzuverschweißenden Metallmaterialien (1) zur Schweißung mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte und Schweißen der Metallmaterialien (1) durch einen Energiestrahl hoher Leistungsdichte entlang der Schweißnaht, die zuvor durch das Vorstumpfschweißen gebildet wurde, wobei die Leistung des Energiestrahls hoher Leistungsdichte sowohl auf der Basis eines durch Joule'sche Erwärmung erzeugten Wärmeeintrags in die Metallmaterialien (1) während des Stumpfschweißens als auch auf der Basis eines auf die Metallmaterialien (1) ausgeübten Schweißdrucks bestimmt wird.

2. Strahlschweißverfahren mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte in Verbindung mit Widerstandsstumpfschweißen nach Anspruch 1, wobei die Metallmaterialien durch Einspeisen eines elektrischen Stroms in sie vor, während und/oder nach der Bestrahlung mit dem Energiestrahl hoher Leistungsdichte aufgeheizt werden.

3. Strahlschweißverfahren mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte in Verbindung mit Widerstandsstumpfschweißen nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiestrahl hoher Leistungsdichte ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge innerhalb des Bereichs der fernen Infrarotstrahlen ist.

4. Strahlschweißverfahren mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte in Verbindung mit Widerstandsstumpfschweißen nach Anspruch 3, wobei Argon oder ein anderes Gas vor der Bestrahlung mit dem Laserstrahl auf die metallischen Materialien geblasen wird, um das Schmelzen der metallischen Materialien zu erleichtern.

5. Strahlschweißverfahren mit einem Energiestrahl hoher Leistungsdichte in Verbindung mit Widerstandsstumpfschweißen nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiestrahl hoher Leistungsdichte ein Elektronenstrahl ist.

6. Stumpfschweißvorrichtung mit:

a) einem ersten Teil (10&sub1;&sub2;), das sich in einer y-Richtung erstreckt, um ein Schweißobjekt (100) zu unterstützen;

b) einem zweiten Teil (10&sub1;&sub1;), das sich in der y-Richtung erstreckt und dem ersten Teil (10&sub1;&sub2;) in einer z-Richtung, die im wesentlichen senkrecht zu der y-Richtung ist, gegenüberliegt;

c) einer ersten Antriebsvorrichtung, um mindestens eines der ersten und zweiten Teile (10&sub1;&sub2; und 10&sub1;&sub1;) gegen das andere zu bewegen;

d) einem dritten Teil (10&sub2;&sub2;), das sich in der y-Richtung erstreckt und dem ersten Teil in einer x-Richtung, die im wesentlichen senkrecht zu der y- und z-Richtung ist, gegenüberliegt;

e) einem vierten Teil (10&sub2;&sub1;), das sich in der y-Richtung erstreckt und dem dritten Teil in der z-Richtung gegenüberliegt;

f) einer zweiten Antriebsvorrichtung (7), um mindestens eines der dritten und vierten Teile (10&sub2;&sub2; und 10&sub2;&sub1;) gegen das andere zu bewegen;

g) in x-Richtung beweglichen und unterstützenden Vorrichtungen (8, 34, 52) zum Unterstützen und freien Bewegen der dritten und vierten Teile (10&sub2;&sub2; und 10&sub2;&sub1;) und der zweiten Antriebsvorrichtung (7);

h) dritten Antriebsvorrichtungen zum Antreiben der in x- Richtung beweglichen und unterstützenden Vorrichtung in der x- Richtung;

i) einer Energieversorgungseinrichtung zur Beaufschlagung des Schweißobjekts (100) mit Energie, das zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Teil und zwischen dem dritten und/oder dem vierten Teil angeordnet ist;

einer Strahl-Bestrahlungsvorrichtung mit einer Brennervorrichtung (23), die zu dem Raum zwischen dem ersten und dem dritten Teil (10&sub1;&sub2; bzw. 10&sub2;&sub2;) hin ausgerichtet ist; und

k) einer in y-Richtung hin- und herbewegenden Antriebsvorrichtung (My) zum Hin- und Herbewegen und Antreiben des Brenners (23) in der y-Richtung;

gekennzeichnet durch

l) eine x-Antriebsvorrichtung (Mx) zum Antrieb des Brenners (23) in der x-Richtung;

m) Positionsdetektionsvorrichtungen (24, 25) zur Detektion der x-Richtungsposition der Stumpfschweißnaht zwischen dem ersten und dem dritten Teil; und

n) eine Schweißsteuerungsvorrichtung zur abwechselnden Erregung der ersten und zweiten Antriebsvorrichtung, der dritten Antriebsvorrichtung und der Energieversorgungseinrichtung, zur Erregung der Antriebsvorrichtung für die y- Hin- und Herbewegung, zur Erregung der x-Richtungs-Antriebsvorrichtung, entsprechend der von der Positionsdetektions- Vorrichtung detektierten Position, um den Brenner entlang der Stumpfschweißnaht zu bewegen, und zur Erregung der Strahl- Bestrahlungsvorrichtung in dieser Reihenfolge.

7. Stumpfschweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl-Bestrahlungsvorrichtung einen Laser aufweist.