DE4222025A1

DE4222025A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen von Bändern

Info

Publication number: DE4222025A1
Application number: DE4222025A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof Dr Behr; Dirk Prof Dr Petring
Original assignee: Thyssen Edelstahlwerke AG
Current assignee: Thyssen Stahl AG
Priority date: 1992-07-04
Filing date: 1992-07-04
Publication date: 1994-01-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen und Zusammenschweißen der Bandenden ohne Zusatzwerkstoff, die auch für höher wertige Werkstoffe und für alle im üblichen Walzwerksprozeß vorkommenden Bandbreiten und für Dicken größer 3 mm, wie sie als warmgewalztes und/oder kaltgewalztes Band hergestellt werden, eingesetzt werden kann. Der Begriff "Band" umfaßt auch Blech.

In der EP 0 433 609 A1 wird im Detail eine Trenn- und Schweißanlage be schrieben, die in der Lage ist, Bandenden zu schneiden und stumpf aneinander zu schweißen. Dazu müssen die Schnittkanten eine solche Qualität aufweisen, daß die Schweißung ohne Zusatzwerkstoff anschließend ausgeführt werden kann. Mit der dort beschriebenen Anlage kann z.Zt. Blech bis zu ca. 3 mm Dicke, Blech aus Edelstahlqualitäten mit höheren Streckgrenzen bis ca. 2 mm Dicke verarbeitet werden.

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, die Verfahrensparameter so anzugeben, daß auch Bänder aus Edelstahl mit 12% Chrom und einer Banddicke von mehr als 3 mm, vorzugsweise 4 bis 10 mm, ohne Schweißzusatz fehlerfrei verschweißt werden können. Die Probleme dabei sind:

1. die Rauheit der Schnittkanten von Rz 60 µm bei Banddicken von 3 mm und mehr zu erreichen, um Nahteinfall zu vermeiden,
2. die Welligkeit der Bänder von mehr als 10 mm auf 600 mm Bandbreite zu verneiden, die zu Kantensprüngen führen würde.

Die Rauheit der Laserschnittkanten nach dem Stand der Technik führt zu Spaltbreiten zwischen den beiden Laser-geschnittenen Bandenden von » 0,1 mm (Rz < 60 µm im geraden Laserschnitt) an 3 mm dickem Band und damit zum Nahteinfall beim Laserschweißen, die Welligkeit der Bänder quer zu Walzrichtung zu Kantensprüngen von bis zu ca. 3 mm/m der Schnittkanten. Außerdem führen vorhandene Eigenspannungen im Edelstahlwarmband zum Verzug nach dem Schneidvorgang, so daß örtliche Spaltbreiten von » 0,1 mm vor dem Schweißen vorhanden sind, wenn man Edelstahlblechdicken von mehr als 2 mm Dicke verarbeiten will. Dies führt zu Nahteinfall oder zur fehlerhaften Durchschweißung.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Kombination der folgenden Maßnahmen gelöst:

Die Bandenden werden vorgeschnitten und in der Laserschneid- und -schweiß anlage mindestens einmal mit dem Laser nachgeschnitten, dazu werden die Bandenden jeweils zwischen Backen eingespannt, wobei mindestens 30 t pro laufendem Meter der Bandbreite an Preßkraft aufgebracht wird. Der an jedem der beiden Bandenden auszuführende Laserschnitt erfolgt mit einem Laserstrahl in circularer Polarisation und mit einer Überschall-Stickstoffströmung in der Schnittfuge, so daß die Laserschnittkanten in 2/3 der Schnittiefe gemessen, ein Rz von 60 µm vor der Laserschweißung aufweisen. Die freie Bandlänge, die über die Einspannbacken jeweils hinausragt, soll nach dem letzten Laser schnitt maximal 50 mm betragen. Die anschließende Schweißung erfolgt in der gleichen Einspannung wie das Nachschneiden.

Die jeweiligen Schnitte pro Bandende und Naht können vorzugsweise quer zur Bandrichtung mit 90° ausgeführt werden. Sollten Bandreißer im weiteren Walzprozeß an der Naht auftreten, ist es so möglich, die Enden mit einem Haspel wieder zu erfassen.

Es ist aber auch denkbar, die Schnitte und die Naht z. B. im Winkel von 85 bis 90°C, bzw. auf der Gegenseite der Bandbreite von 95 bis 100°, anzuordnen. Hiermit werden bei größeren Nahteinfällen oder Nahtüberhöhungen in der Größenordnung < 1 mm Beschädigungen der Walzen eher vermieden.

Der Schneidkopf bzw. die Laser-Strahlrichtung kann dabei um 0 bis 3° von der Senkrechten auf die Bandoberfläche in Bandrichtung auf die entstehende Schnittkante hin abweichend eingestellt sein, um einen 90°-Winkel der Schnitt kante zur Bandoberfläche zu erhalten.

Zur automatisierten Fertigung ist es sinnvoll, die Schnitt- und Schweißnaht qualität durch Auswertung der Schallemission oder Wärmestrahlung zu messen. Eine wiederholte Frequenzänderung und Amplitudenänderung (Erhöhung) ist ein Maß für die Erzeugung erhöhter Rauheit bis hin zur fehlerhaften Trennung oder Schweißung. Die thermische Rückstrahlung aus dem Schweißvorgang kann mit Hilfe eines Scraper-Spiegels oder eines Lochs im Umlenkspiegel in der Optik ausgeblendet und ausgewertet werden, indem man sie spektral aufspaltet und z. B. mit Diodenzeilen in elektrische Signale umwandelt. Sie sind z. B. ein Maß für die ordnungsgemäße Durchschweißung. Mit beiden Maßnahmen läßt sich der Prozeß überwachen und zum jeweiligen optimalen Parameter, z. B. in Vorschub und/oder Laserleistung regeln.

Man kann zum Schneiden und Schweißen jeweils einen Bearbeitungskopf mit Optik und Düse verwenden. Der Schneidkopf fährt dabei "Hin" und "Zurück" mit jeweils einem Schnitt an den jeweiligen Bandenden. Der Schweißkopf fährt nur einen Arbeitsakt und dann "leer" in die Ausgangsposition zurück. Zum Schneiden benutzt man vorzugsweise eine Langlochdüse, um Stickstoff zu sparen. Dabei ist der Laserstrahl in der Mitte des vorderen Rundes der Düse, in Schneidrich tung gesehen, angeordnet.

Zum Schweißen kann auch der gleiche Kopf verwendet werden, wenn

a) die Düse um 5 bis 20 mm nach oben geschoben wird, um den Gasstrahl aufzu weiten, so daß die Gasreibung an der Schweißnahtoberkante gering wird;
b) Helium als Schutzgas mit ca. 20 bis 40 l/min statt zum Schneiden Stickstoff mit etwa 200 bis 400 l/min bei Einsatz einer 5 oder 6 kW-Laserquelle eingesetzt wird;
c) beim Schweißen der Laserstrahl im hinteren Rund der Langlochdüse, in Schweißrichtung gesehen oder mittig angeordnet ist, oder eine Zusatzdüse vorzugsweise "stechend" angeordnet ist, die das Laserplasma entfernt.

Beim Schweißen wird vorzugsweise eine in Schweißrichtung lineare Polarisation verwendet, wozu im Strahlengang ein λ/4-Spiegel (Face retarder) automatisch durch einen normalen Spiegel ersetzt werden kann.

Zum Laserschneiden mit bestmöglicher Glattheit der Schnittflache gilt zwar die Regel, daß die dimensionslose Strahlqualitätszahl K so groß wie möglich sein sollte. Es wurde aber nun überraschend gefunden, daß mit 6 kW am Resona torausgang eines CO₂-Lasers, der mit dem Mode TEM 20 ausgestattet war K = 0,22) trotzdem gleich gute Schnittkanten (Rz 40 µm aus einem Stahl, Werkstoffnummer 1.4301, (6 mm dick) mit 2,3 m/min, erhalten werden im Vergleich zu einer Laserquelle mit K 0,3 und TEM 10*. Der Vergleich der Laserquellen zeigte zwischen Schnitten an 4 mm und 15 mm Banddicken keine Unterschiede in der Rauheit der Schnittkanten.

Die Laserschneid- und -schweißanlage wird vorteilhafterweise vor einer Warmbandglüh- und Beizlinie im Edelstahl-Walzwerksprozeß angeordnet, um den im Fall von Kaltband nötigen Schleppschutz mit ggf. einer nachfolgenden Schleif- und Bürststation einzusparen.

In der Zeichnung sind zwei Bandenden 1, 2 zwischen jeweils einem Backenpaar 3 eingespannt. Jedes Backenpaar 3 besteht aus drei Segmenten, die getrennt voneinander durch Hydraulikzylinder 4 zum Spannen der Bandenden 1, 2 betätigt werden können.

Ein Laserstrahl 5 wird in dem Schneidkopf 6 fokussiert, der circular polari siertes Licht abgibt. Gegebenenfalls kann dieser Schneidkopf 6 in der z-x-Ebene um ± 3° geschwenkt werden. Zum Schweißen kann der Schneidkopf 6 oder ein zusätzlicher Kopf verwendet werden. Vorzugsweise wird in linearer Polarisation in x-Richtung geschweißt, weil dadurch die Schweißgeschwindigkeit um ca. 30% erhöht werden kann.

Claims

1. Verfahren zum stumpfen Aneinanderschweißen von Bändern mittels Laser strahlschweißverfahren, bei dem von den aneinander zu schweißenden Bandenden mittels eines Laserstrahls je ein endseitiger Randstreifen zur Schweißnahtvorbereitung abgeschnitten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Verfahrensschritte und Maßnahmen in Kombination ausgeführt werden:

- die Bandenden werden vorgeschnitten und in der Laserschneid- und -schweißanlage mindestens einmal mit dem Laser nachgeschnitten, wozu die Bandenden jeweils zwischen Backen eingespannt werden, wobei mindestens 30 t pro laufendem Meter der Bandbreite an Preßkraft aufgebracht wird,
- der an jedem der beiden Bandenden auszuführende Laserschnitt erfolgt mit einem Laserstrahl in circularer Polarisation und mit einer Überschall-Stickstoffströmung in der Schnittfuge, so daß die Laser schnittkanten in 2/3 der Schnittiefe gemessen, ein Rz von 60 µm vor der Laserschweißung aufweisen, wonach die freie Bandlänge, die über die Einspannbacken jeweils hinausragt, nach dem letzten Laser schnitt maximal 50 mm beträgt
- anschließend erfolgt in der gleichen Einspannung die Schweißung.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Einspannvorrichtung pro Bandende aus Ober- und Unterbacken besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Ober- und/oder die Unterbacke in mindestens drei einzeln gesteuert andrückbare Segmente unterteilt ist bzw. sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahl richtung und/oder der Schneidkopf auf 0 bis 3°, einstellbar abweichend von der Senkrechten auf die Bandoberfläche in Bandrichtung auf die entstehende Laser-Schnittkante hin, einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittqualität und/oder die Qualität der Durchschweißung mit Hilfe einer die thermische Rückstrahlung, Licht- und/oder Schallfrequenz zeitauflösenden und auswertenden Einrichtung überwachbar und/oder steuerbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß der Schneidkopf neben der Spiegeloptik eine Düse aufweist, die als Langlochdüse ausgebildet ist und daß ein mit Helium als Schutzgas betriebener Schweißkopf mit Spiegeloptik vorhanden ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß zum Schneiden und Schweißen nur ein Kopf, der die Optik und eine Langlochdüse enthält, vorgesehen ist, der beim Schneiden auf einem Abstand "Düsenunterkante zu Blechoberfläche" von ca. 0,3 bis 0,5 mm geregelt einstellbar ist, wobei die Fokuslage an der Bandoberfläche liegt oder bis zu 1/3 tief in der Banddicke, die Düse zum Schweißen auf Heliumbetrieb umschaltbar ist und sie, bei konstant bleibender Fokuslage, einige Millimeter oberhalb der Bandoberfläche gehalten und eine zweite Düse stechend zur Entfernung des Schweißplasmas angeord net ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle ein 3 bis 10 kW-CO₂-Laser ist, der eine Strahl qualität von K 0,2 ermöglicht mit TEM 20 oder 10 oder 10*.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß sie am Ende einer Warmbandlinie oder am Anfang einer Glüh-Beizlinie oder in einer Band-Vorbereitungslinie angeordnet ist.