DE4436084A1 - Anordnung zum Schmelzschweißen von Werkstücknähten mit mehreren Schweißbrennern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schmelzschweißen von Werkstücknähten mit mehreren Schweißbrennern gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Eine gattungsgemäße Anordnung ist aus der DE-AS 24 48 620 be­ kannt. Die dort beschriebene Anordnung besteht aus drei in einem Halterblock gehaltenen Schutzgasschweißbrennern mit nicht-ab­ schmelzenden Elektroden (WIG-Schweißbrennern). Den einzelnen Schweißbrennern ist jeweils eine Stromquelle zugeordnet. Die Elektrodenenden sind von auswechselbaren Düsen umgeben, die ei­ nerseits einen Verschmutzungsschutz für Inertgas gegen eindrin­ gende Partikel aus der Umgebungsluft bilden und andererseits den Lichtbogen mehr oder weniger - je nach Ausgestaltung der Düsen­ form - einengen, so daß die Lichtbogenenergie stärker konzen­ triert wird. Dadurch kann ein großer Teil der Lichtbogenenergie auf engem Raum in das Werkstückmetall eingeleitet werden. Die Eindringtiefe der einzelnen von den Schweißbrennern erzeugten Schmelzbäder ist dabei im Vergleich zur -breite groß. Der Ein­ brand in das zu schweißende Werkstück geht somit im Vergleich zu Schweißbrennern mit offenenem Lichtbogen wesentlich tiefer und die Schmelzonen sind gleichzeitig schmaler ausgebildet. Bei gleicher Einbrandtiefe kann dadurch eine höhere Schweißgeschwin­ digkeit erreicht werden. Mit derartigen Schweißbrennern ist je­ doch eine Spaltüberbrückung zwischen zwei Werkstücken nicht mög­ lich. Desweiteren können die Festigkeitsanforderungen an die durch WIG-Schweißen erzielte Schweißnaht hinsichtlich beispiels­ weise Biegewechselbeanspruchung und Zugfestigkeit aufgrund der immer noch zu geringen Einbrandtiefe, dem Auftreten von Ein­ brandkerben am Rande der Schweißnaht und der durch die Schweiß­ raupe gebildeten Schweißnahtüberhöhung keineswegs ausreichend erfüllt werden. Schließlich ist die Schweißgeschwindigkeit für eine relevante wirtschaftliche Ausnutzung noch zu gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung dahingehend weiterzubilden, daß bei gleichzeitiger Er­ höhung der Schweißgeschwindigkeit eine bezüglich der Festigkeit optimale Schweißnaht erzeugbar ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 an­ gegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Dank der Erfindung kann das Schmelzbad des vorlaufenden Schweiß­ brenners - ohne daß dieses sich vorher verfestigt - vom nachfol­ genden Schweißbrenner behandelt werden, wobei sich dessen Schmelzbad mit dem des vorlaufenden vermischt. Dadurch ist es möglich, Einbrandkerben zu vermeiden und somit eine Naht zu er­ zeugen, die hohen Festigkeitsansprüchen gerecht ist. Durch das gemeinsame Schmelzbad der verschiedenen Schweißbrenner wird ein Neuaufschmelzen der erstarrten, vom vorlaufenden Schweißbrenner erzeugten Schweißnahtschmelze vermieden, wodurch im Vergleich zu der bekannten Anordnung kürzere Schweißzeiten erreicht werden. Die Schweißgeschwindigkeit v kann hierbei auf 3-6m/min gestei­ gert werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden, im übrigen ist die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäße Anordnung mit zwei in Nahtlängsrichtung zueinander versetzt liegenden Lichtbogen­ schweißbrennern mit abschmelzender Elektrode,

Fig. 2 schematisch die erfindungsgemäße Anordnung mit zwei in Nahtlängsrichtung versetzt liegenden und einem dritten, seiten­ versetzt zwischen den beiden angeordneten Lichtbogenschweißbren­ nern mit abschmelzender Elektrode,

Fig. 3 schematisch Fig. 1 mit einem den Lichtbogenschweißbren­ nern nachlaufenden Lichtbogenschweißbrenner mit nicht-abschmel­ zender Elektrode,

Fig. 4 schematisch Fig. 1 mit einem den Lichtbogenschweißbren­ nern vorlaufenden Lichtbogenschweißbrenner mit nicht-abschmel­ zender Elektrode.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zum Lichtbogenschweißen von Werk­ stücknähten dargestellt, die aus zwei Schweißbrennern 1 und 2 besteht, die an einem an einem Werkstück 3 gleichzeitig zum Ein­ satz gelangen und mit vor dem Ablauf des Schweißvorganges fest eingestelltem Abstand in Nahtlängsrichtung zueinander versetzt liegen. Die Schweißbrenner 1 und 2 weisen jeweils eine aus Draht ausgebildete abschmelzbare Elektrode 4 und 5 mit einer Draht­ stärke zwischen 0,8 und 1,2 mm je nach Blechdicke auf, wobei vorzugsweise Werkstücke 3 mit einer Blechdicke verwandt werden, die kleiner als 4 mm ist.

Das metallische Elektrodendrahtmaterial dient als Verbindungs- und Füllmaterial für die zu schweißende Naht. Die Elektroden 4 und 5 sind gegen Überschlag voneinander elektrisch - beispiels­ weise durch eine Kunststoffbüchse - isoliert und jeweils mit ei­ ner Stromquelle 6 und 7 verbunden, so daß die Elektroden 4, 5 mit voneinander unterschiedlichen Stromstärken beaufschlagbar sind. Der Elektrodenabstand hängt von der Stromstärke und der angeleg­ ten Spannung, der beim Schweißen verwandten Gasart und der Elek­ trodendicke ab, und liegt im Bereich zwischen 1 und 5 mm. Gene­ rell soll der Abstand gerade so groß sein, daß kein Überschlag zwischen den Elektroden 4, 5 erfolgt, jedoch andererseits so klein, daß beim Schweißen die Schweißbäder der Lichtbögen 20, 21 beider Elektroden 4, 5 in einem quasi gemeinsamen Schweißbad 8 zusammenfließen.

Das beim Schweißen verwandte Gas richtet sich nach der Werk­ stoffwahl des zu schweißenden Werkstückes 3. Dabei wird ein Ak­ tivgas bei Eisenwerkstoffen und Cr-Ni-Stählen verwandt, wodurch eine besonders hohe Energie auf das Werkstück 3 einwirkt und da­ bei ein besonders tiefer Einbrand entsteht (MAG-Schweißen) . In­ erte Gase wie beispielsweise Argon werden beim Schweißen von Nichteisenmetallen, insbesondere von Aluminium und Magnesium an­ gewandt (MIG-Schweißen), um sich aus der Feuchtigkeit der Umge­ bungsluft in das Metall einlagernde Wasserstoffporen, die zu Versprödungen der Naht führen, zu vermeiden.

Beim Beispiel von zwei MAG-Schweißbrennern 1, 2 werden diese wäh­ rend des Schweißvorganges so gesteuert, daß die vorlaufende er­ ste Elektrode 4 mit wesentlich höherer Stromstärke durchflossen wird als die nachlaufende zweite. Mit dem Lichtbogen 20 der er­ sten Elektrode 4 wird ein tiefer Einbrand in der Werkstücknaht erzeugt, wobei der Verbindungsquerschnitt in der Naht zwischen den zu verschweißenden Teilen erhöht wird, was eine bessere in­ nere Verbindung und damit eine gesteigerte Qualität der Schweiß­ naht hinsichtlich ihrer Festigkeit ergibt. Der niederenergeti­ schere Lichtbogen 21 der zweiten nachlaufenden Elektrode 5 er­ zeugt eine Decknaht auf der durch die erste Elektrode 4 gebil­ dete Schweißnaht, wobei deren Einbrandkerben durch das Schmelz­ bad des zweiten Lichtbogens 21 zugeschwemmt werden. Dadurch, daß die Schmelzbäder der beiden Lichtbögen 20, 21 zusammenfließen, ergibt sich zwischen den beiden Schweißnähten eine innige Ver­ bindung. Dadurch und durch das Zuschwemmen der Einbrandkerben am Rand des Schmelzbades des Lichtbogens 20 wird die insgesamt er­ zielte Schweißnaht in ihrer Festigkeit entscheidend optimiert.

Für das Schweißen von Werkstücken mit großer Blechstärke, also mit großen zu verschweißenden Randquerschnitten kann durch die erste vorlaufende Elektrode 4 mit geringerer Stromstärke eine Wurzelnaht gelegt werden, wonach die nachlaufende Elektrode 5 mit höherer Stromstärke die Füllnaht ausbildet.

Um größere Spalte zwischen den zu verschweißenden Werkstücken 3 mit einer breiten Schweißnaht zu überbrücken, können gemäß der Fig. 2 mehrere (hier: drei) mit jeweils einer zugeordneten Stromquelle 9, 10, 11 verbundene Schweißbrenner 12, 13, 14 mit ihren Elektroden 15, 16, 17 nebeneinander angeordnet sein, wobei zwei Schweißbrenner 12, 13 in Nahtlängsrichtung versetzt liegen und der dritte seitenversetzt und geneigt zwischen den beiden ange­ ordnet ist.

Zusätzlich kann in einer Variante den beiden Schweißbrennern 1, 2 mit abschmelzender Elektrode 4, 5 ein WIG-Schweißbrenner 18 mit nicht-abschmelzender Elektrode 23 und zugeordneter gesonderter Stromquelle 19 nachfolgen, dessen Lichtbogen 22 sich ebenfalls noch im Schmelzbad der vorlaufenden Lichtbögen 20, 21 ausbildet (Fig. 3). Durch die Einwirkung des WIG-Schweißbrenners 18 wird die durch die Schweißraupe entstehende Schweißnahtüberhöhung eingeebnet, was zu einer sauberen glatten Naht führt. Dies ver­ bessert noch weiter die Festigkeit auf Biegewechselbeanspruchung und die Zugfestigkeit der Schweißnaht.

Der WIG-Schweißbrenner 18 kann in einer weiteren Variante auch den Schweißbrennern 1 und 2 vorlaufen (Fig. 4). Die Einwirkung seines niederenergetischen Lichtbogens 22 ergibt einen reinigen­ den Effekt auf die Werkstücknaht, wodurch eine Steigerung der Schweißnahtqualität durch das Fehlen von die Schweißung und da­ mit die Festigkeit der Schweißnaht beeinträchtigenden Fremdpar­ tikeln erzielt wird. Gleichzeitig wird die spätere Schweißnaht vorgeschmolzen, was zu einer Geschwindigkeitserhöhung des gesam­ ten Schweißvorganges führt.

Im übrigen ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine flexible Schweißbrennerführung über Roboter, bei der die Schweißbrenner unabhängig voneinander führbar sind, zum Erzeugen von winkligen Schweißnähten oder Schweißnähten entlang sonstiger nicht-linea­ rer Kurvenkonturen denkbar.

Desweiteren ist der Einsatz von Laserschweißbrennern oder Elek­ tronenstrahl-Schweißbrennern als Alternative zu den Lichtbogen- Schweißbrennern 1, 2, 12, 13, 14, 18 oder in Kombination mit diesen möglich.

Claims (9)

1. Anordnung zum Schmelzschweißen von Werkstücknähten mit meh­ reren gleichzeitig an einem Werkstück mit Energieströmen hoher Energiedichte zum Einsatz gelangenden Schweißbrennern, die einen beim Schweißen der Nähte fest eingestellten Abstand zueinander besitzen, wobei die verschiedenen Schweißbrenner jeweils für sich in Schweißparametern wie der Schweißenergie steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißbrenner in engem gegenseitigem Abstand so in Re­ lation zur Werkstücknaht positioniert und angeordnet sind, daß sich deren Energieströme (20, 21, 22) in einem quasi gemeinsamen Schmelzbad (8) ausbilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung Schweißbrenner (1, 2, 12, 13, 14, 18) enthält, mit denen die Energieströme bildende Lichtbögen (20, 21, 22) erzeugbar sind und deren Elektroden (4, 5, 15, 16, 17, 23) voneinander elek­ trisch isoliert sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung Schweißbrenner beinhaltet, bei denen der jeweilige zum Einsatz am Werkstück gelangende Energiestrom durch einen Laser- und/oder Elektronenstrahl gebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zumindest zwei Schweißbrenner (1, 2) mit ab­ schmelzender Elektrode (4, 5) umfaßt.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zumindest einen Schweißbrenner (1, 2, 12, 13, 14) mit abschmelzender Elektrode (4, 5, 15, 16, 17) und einen Schweiß­ brenner (18) mit nicht-abschmelzender Elektrode (23) beinhaltet.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißbrenner (1, 2, 18; 12, 13) in Nahtlängsrichtung zu­ einander versetzt liegen.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Einsatz von drei Schweißbrennern (12, 13, 14) zwei (12, 13) von diesen in Nahtlängsrichtung versetzt liegen und der dritte (14) seitenversetzt und geneigt zwischen den beiden ange­ ordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbrenner (18) mit nicht-abschmelzender Elektrode (23) in Schweißrichtung vor dem/den Schweißbrenner(n) (1, 2, 12, 13, 14) mit abschmelzender Elektrode (4, 5, 15, 16, 17) angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbrenner (18) mit nicht-abschmelzender Elektrode (23) in Schweißrichtung hinter dem/den Schweißbrenner(n) (1, 2, 12, 13, 14) mit abschmelzender Elektrode (4, 5, 15, 16, 17) angeordnet ist.