DE60310580T2

DE60310580T2 - Vorrichtung zum Engspalt-Hybridschweissen

Info

Publication number: DE60310580T2
Application number: DE60310580T
Authority: DE
Inventors: Guillaume De Dinechin; Jean-Pascal Alfille; Gaspard De Bordas; Philippe Aubert
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: WO2004028736A2; DE60310580D1; EP1542828B1; FR2845023B1; FR2845023A1; EP1542828A2; US20060118528A1; WO2004028736A3

Description

Der Gegenstand dieser Erfindung ist eine Schweißvorrichtung, die entwickelt wurde, um in engen Schweißstößen arbeiten zu können, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (s. DE-C1-100 17 845).
Wenn zwei sehr dicke Teile zusammengeschweißt werden müssen, ist es üblich, sie an ihren Verbindungsflächen hohl zu machen und zusammenzuschweißen, indem man über den größten Teil ihrer Dicke eine Schweißstoß genannte Fuge herstellt. Die Schweißung erfolgt mittels sukzessiver Durchgänge, wobei jedes Mal eine Schicht Zusatzwerkstoff abgeschieden wird, um die Fuge nach und nach zu füllen.
In der Praxis begegnet man breiten Stößen und schmalen Stößen, wobei diese typisch eine Halböffnung haben, was, bezogen auf die Tiefe, einer Neigung von höchstens 8° in Bezug auf die Vertikale entspricht. Die schmalen Stöße sind ggf. vorzuziehen, da man weniger Zusatzwerkstoff benötigt, um sie zu füllen. Jedoch ist es schwieriger, sie zu schweißen: einige traditionelle Schweißverfahren wie etwa das Schweißen mit TIG (Tungsten Inert Gas) sind langsam (ihre Vorschubgeschwindigkeit beträgt ungefähr 10 cm/min) und entsprechen daher bei einem Verfahren mit vielen Durchgängen oft nicht den Produktivitätszwängen, und das Schweißen mit Abschmelzelektrode unter Pulverfluss ist zwar ziemlich schnell, aber aufgrund des großen Schmelzbades auf Horizontalschweißungen beschränkt. Erwähnt seien auch die Verfahren des Typs MIG (Metal Inert Gas) oder MAG (Metal Active Gas), die auch schnell sind, bei denen aber die Morphologie des Schmelzbades eine Ursache für Schweißfehler sein kann. Das Problem, dem man dann begegnet, wird in dem Patent US 4,891,494 A identifiziert: die sukzessive abgeschiedenen Schweißnähte können an ihren Übergängen zu den zu verbindenden Teilen Spalte aufweisen, was die Qualität der Schweißung beeinträchtigt. Die in diesem Patent vorgeschlagene Lösung besteht darin, den traditionell geraden Zusatzwerkstoffdraht durch einen zickzackförmig gebogenen Draht zu ersetzen, dessen Ende durch die Drahtführung abwechselnd von einer Seite des Schweißstoßes zur anderen bewegt wird, um dort die Wärme und das geschmolzene Material zu konzentrieren und folglich Schweißfehler an den Seiten zu vermeiden.
Es ist jedoch nicht sicher, dass die immer zu einem zufriedenstellenden Resultat führt, denn die Verschiebung der Wärme nach der einen oder anderen Seite des Schweißstoßes verringert die Erwärmung der jeweils anderen Seite und kann dort die gleichen Fehler verstärken. Außerdem ist ein komplexer Mechanismus erforderlich, um den Draht zu formen.
Die Erfindung beruht auf der Idee, bei Schweißungen des MIG- oder MAG-Typs mit schmalen Stößen das Schmelzbad zu vergrößern dank einer zusätzlichen kontrollierten Wärmezufuhr durch einen auf die Oberfläche der Stoßstelle im unteren Teil der Fuge fokussierten Laserstrahl. Dies erhöht die Produktivität der Schweißoperation in Bezug auf die aktuellen Techniken sehr.
DE-C1-100 17 845 beschreibt einen Kopf, der auch eine in Längs- und Tiefenrichtung langgestreckte Form aufweist, so dass er auch in einen Schweißstoß eindringen kann (§ 24–25). Dieser Kopf weist auch zwei Bohrungen und eine Gasausstoßleitung auf, gekoppelt mit der die Elektrode aufnehmenden Bohrung. Eine zweite Gasausstoßöffnung, vor der Längsrichtung des Kopfes befindlich, wird nicht beschrieben, so dass es nicht möglich ist, zu garantieren, dass die gesamte Ausdehnung der Schmelzzone während der Schweißoperationen gut abgedeckt wird. US-A-4 938 108 beschreibt ein Laserschneidverfahren mit einem Schneidkopf, der gar keine Gasausstoßleitung mit ihren jeweiligen Kammern besitzt. Diese Kammern befinden sich vor und hinter den Bohrungen in der Längsrichtung des genannten Kopfes. EP-A-1 013 372 beschreibt einen Laserschweißkopf mit nur einem Draht, benutzt als Zusatzwerkstoff. Auch in diesem Fall werden die zugeordneten Leitungen und Kammern nicht beschrieben.
Nach der Erfindung wird eine Schweißvorrichtung zur Realisierung einer Schweißstoßverbindung vorgeschlagen, mit einem einen Strahl emittierenden Laser, einem Zusatzwerkstoffdraht und einer Drahtführungselektrode, einen Kopf umfassend, der in den Schweißstoß eindringen kann, wobei dieser Kopf in der Längs- und der Tiefenrichtung des Schweißstoßes langgestreckt ist und in einer transversalen Richtung des Schweißstoßes schmal ist, und dieser Kopf zwei zentrale Bohrungen umfasst, die den Kopf im Wesentlichen in der Tiefenrichtung so durchqueren, dass sie bzw. dass ihre Achsen unter dem Kopf konvergieren, wobei eine der Bohrungen während der Benutzung der Vorrichtung auf den durch den Laser gelieferten Strahl ausgerichtet ist und die andere Bohrung die Elektrode aufnimmt, so dass der Draht im Wesentlichen in der Achse des Laserstrahls ankommt, und mit zwei Ausstoßleitungen eines Schutzgases, die den Kopf durchqueren und in Kammern enden, wobei sich diese Kammern in Längsrichtung vor und hinter den zentralen Bohrungen befinden und in dieser Richtung ausreichend langgestreckt sind, um die gesamte Ausdehnung des Schmelzbades abzudecken.
Der Schweißkopf dringt in den Schweißstoß ein und wird bei seiner Vorwärtsbewegung durch diesen geführt, wobei die Schmelz- und Schweißeinrichtungen in ihren korrekten Positionen bleiben und das Schmelzbad nach allen Seiten vor der
Außenatmosphäre geschützt ist, entweder durch das Material der zu vereinigenden Teile und durch den Schweißkopf oder durch das Schutzgas, das durch die verbleibenden Spalte austritt.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung einen auf dem Kopf angeordneten Mikrometertisch zur Positionseinstellung eines optischen Laserkopfs über der mit dem Laser ausgerichteten zentralen Bohrung, was ermöglicht, die Position des Laserstrahlbrennflecks und folglich des Schmelzbads in einem Schweißstoß einzustellen.
Wieder vorteilhafterweise werden die Laserschweißeinrichtungen unter denjenigen ausgewählt, die eine Quelle des YAG- oder CO₂-Typs benutzen, und die Lichtbogenschweißeinrichtungen werden unter denen des MIG- oder MAG-Typs ausgewählt.
In der Folge werden die Erfindung und alle ihre Aspekte umfassend beschrieben mit Bezug auf die folgenden Figuren:
die 1, die eine allgemeine Ansicht der Erfindung ist,
die 2, die eine Schnittansicht des Kopfes ist.
Die 1 zeigt zunächst die wesentlichen Elemente der Erfindung: einen Kopf 1, der sich in einem Schweißstoß 2 zwischen zwei zu verschweißenden Teilen 2 und 3 verschiebt, die aus Gründen der Klarheit ausgebrochen dargestellt sind. Der Kopf 1 wird durch einen Roboterarm 5 oder eine andere Einrichtung in dem Schweißstoß 2 verschoben. Er ist von langgestreckter Form entsprechend der Längs- und Tiefenrichtung des Schweißstoßes 2, aber schmal in seitlicher Richtung, um in diesen eindringen zu können. Der Zusatzwerkstoff wird durch einen Draht 6 geliefert, der von einer Spule 7 abgerollt und in einer rohrförmigen Elektrode 8 geführt wird, die in Bezug auf die Teile 3 und 4 so gepolt bzw. vorgespannt ist, dass zwischen ihnen und dem Ende des Drahts 6 ein Lichtbogen entsteht, gemäß den üblichen Modalitäten der MIG- und MAG-Schweißtechniken. Schließlich emittiert ein Laser 9 seinen Strahl 10 in einen optischen Kopf 11. Ein Mikrometertisch 12 zur Einstellung ist auf dem Kopf 1 vorgesehen, um die Fokalposition des Lasers in Bezug auf den übrigen Kopf zu verschieben und so die Schweißbedingungen anzupassen.
In der 2 sieht man, dass der Kopf von einer zentralen Bohrung 13 durchquert wird, die sich in vertikaler Richtung oder Tiefenrichtung des Stoßes 2 erstreckt und mit dem optischen Kopf 11 und dem Laserstrahl 10 fluchtet, und deren Positionen in den drei Hauptrichtungen eingestellt werden können, indem man an den drei Rändelschrauben 14 des Tisches 12 dreht, um den Strahl 10 in Bezug auf den Kopf 1 zu verschieben. Dies ermöglicht, die Position des Brennflecks des Strahls 10 und folglich die Verteilung der Wärme in den Teilen 3 und 4 und die Ausdehnung des Schmelzbads zu justieren.
Die Elektrode 8 ist rohrförmig, um den Draht 6 zu führen, und ist in eine Hülse 20 montiert, die in einer weiteren Bohrung 15 steckt, die den Kopf 1 in einer Richtung durchquert, die mit der Richtung der Bohrung 13 konvergiert, so dass sich die Achsen beider Bohrungen unter dem Kopf 1 schneiden und das Ende des Drahts 6 folglich im Wesentlichen in der Achse des Laserstrahls 10 eintrifft. Das Schmelzbad dehnt sich an dieser Stelle unter dem Zentrum es Kopfes 1 aus, in einem dort vorhandenen Hohlraum 16. Die Elektrode 8 erstreckt sich in den Hohlraum 16 hinein, bis auf einige Zentimeter bis zum Grund des Schweißstoßes.
Der Kopf 1 wird noch von zwei Kühlwasserleitungsnetzen 17 und 18 durchquert, jeweils auf der Vorder- und Hinterseite des Kopfes 1, beiderseits der Bohrungen 13 und 15; und von zwei Leitungen 21 und 22, die Gas zum Schutz des Schmelzbads ausstoßen und jeweils in Kammern 23 und 24 unter dem Kopf 1 münden, seitlich des Hohlraums 16, beiderseits des Drahts 6 und des Strahls 10. So erzielt man einen guten Schutz des Schmelzbads. Eine unter dem Kopf 1 befestigte Platte 25 ist vor den Kammern 23 und 24 perforiert, um eine gute Verteilung des Gases zu gewährleisten. Das ausgestoßene Gas nimmt das gesamte Volumen des Hohlraums 16 ein; die Kammern 23 und 24 sind in Längsrichtung ausreichend ausgedehnt, um die ganze Ausdehnung des Schmelzbads abzudecken. Das Gas kann in Bezug auf den Kopf 1 seitlich, auf der Vorderseite nach vorn und auf der Hinterseite nach hinten austreten, indem es unter den Enden der Platte 25 entweicht, die zum Grund des Schweißstoßen parallel sind und nicht weit von diesem entfernt. Die Luftströmung erstreckt sich also bestimmt bis zum Ende des Schmelzbads. Sie kann verstärkt werden, wenn noch Gas durch eine zentrale Leitung wie die Bohrung 13 geblasen wird, um einen zusätzlichen Durchsatz zu haben und auch zu verhindern, dass Gas durch die genannte zentrale Bohrung 13 austritt und sich nicht an der schützenden Abströmung um den Kopf 1 herum beteiligt. Es ist möglich, dank der Symmetrie des Kopfes in Bezug auf eine longitudinale Mittelebene, in beiden Richtungen zu schweißen, indem man den Kopf 1 in die eine oder die andere Richtung verschiebt.
Die Kühlmittelleitungen 17 und 18 befinden sich in massiven longitudinalen Endteilen des Kopfs, beiderseits des Hohlraums 16 und über Enden der Platte 25. Sie können folglich im Kopf 1 sehr weit nach unten reichen, wo die Erhitzung am intensivsten ist, und eine Zirkulationslänge haben, die eine große Wärmeableitung sicherstellt.

Claims

Schweißvorrichtung zur Realisierung einer Schweißstoßverbindung, mit einem einen Strahl (10) emittierenden Laser (9), einem Zusatzwerkstoffdraht und einer Drahtführungselektrode, einen Kopf umfassend, der in den Schweißstoß eindringen kann, wobei dieser Kopf in der Längs- und der Tiefenrichtung des Schweißstoßes länglich ist und in einer transversalen Richtung des Schweißstoßes schmal ist, und dieser Kopf zwei zentrale Bohrungen (13, 15) umfasst, die den Kopf im Wesentlichen in der Tiefenrichtung so durchqueren, dass sie bzw. dass ihre Achsen unter dem Kopf konvergieren, wobei eine der Bohrungen während der Benutzung der Vorrichtung auf den durch den Laser gelieferten Strahl ausgerichtet ist und die andere Bohrung die Elektrode aufnimmt, so dass der Draht im Wesentlichen in der Achse des Laserstrahls ankommt, und gekennzeichnet durch zwei Ausstoßleitungen (21, 22) eines Schutzgases, die den Kopf durchqueren und in Kammern (23, 24) enden, wobei sich diese Kammern in Längsrichtung vor und hinter den zentralen Bohrungen befinden und in dieser Richtung ausreichend langgestreckt sind, um die gesamte Ausdehnung des Schmelzbades abzudecken.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen auf dem Kopf angeordneten Mikrometertisch (12) zur Positionseinstellung eines optischen Kopfes (11) des Lasers über der mit dem Laser ausgerichteten zentralen Bohrung umfasst.
Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf einen zentralen Hohlraum (16) umfasst, in dem die zentralen Bohrungen münden.
Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf von zwei Netzen von Kühlkanälen (17, 18) durchquert wird, vor und hinter den zentralen Bohrungen.
Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißeinrichtungen unter denjenigen ausgewählt werden, die eine Quelle des YAG- oder CO₂-Typs benutzen, und die Lichtbogenschweißeinrichtungen unter denen des MIG- oder MAG-Typs ausgewählt werden.