-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Anwendung eines Hybridschweißverfahrens,
das einen Laserstrahl mit einem Lichtbogen für das Mehrfach-Dicken-Schweißen kombiniert,
d.h. für
die Zusammenfügung
von mehreren Metallstücken,
die übereinander
gestapelt sind, durch Schweißen,
bei dem das Schmelzen auf der Kante erfolgt, d.h. im Bereich der Seitenränder der
zu verschweißenden
Stücke.
-
US 5 700 989 beschreibt
eine Methode zum Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen von
zwei Stücken
Rand an Rand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Es
ist bekannt, dass das Mehrfach-Dicken-Schweißen, d.h. das Schweißen von
mehreren übereinander
angeordneten Metallstücken,
im Allgemeinen mindestens drei übereinander
angeordneten Stücken,
auf industrieller Ebene nicht einfach durchzuführen ist.
-
Wenn
derzeit, wie in den 1a bis 1c dargestellt,
mehrere übereinander
angeordnete Stücke 1 bis 4 durch
Schweißen
entlang einer Schweißnaht
J, beispielsweise durch Laser-, Lichtbogen- oder Elektronenstrahlschweißen, zusammengefügt werden
sollen, ist es herkömmlich,
ein Schmelzen der Stücke 1 bis 4 durchzuführen, wobei
das Schmelzen F auf der Seitenfläche
des ersten Stücks 1 angreift,
welches sich unmittelbar gegenüber
dem Schweißbrenner
befindet, der die Schweißenergie ES
liefert (z.B. Lichtbogen, Laserstrahl oder Elektronenstrahl, ...),
dieses Schmelzen F über
die gesamte Dicke dieses ersten Stücks 1, dann über die
aufeinander folgenden Dicken der Stücke 2 bis 4,
die sich unter dem ersten Stück 1 befinden,
fortzusetzen (Richtung des Pfeils F1), bis ein völliges Schmelzen entlang der
Dicke der Stücke 1 bis 3 und
ein völliges oder
teilweises Schmelzen des letzten Stücks 4 erhalten wird,
das sich unter dem Stapel befindet, d.h. des am weitesten vom ersten
Stück 1 entfernten Stücks.
-
Wenn
dieses Schmelzen durchgeführt
ist, werden der Schweißbrenner
und die Stücke 1 bis 4 in Bezug
zueinander verschoben, so dass dieses Schmelzen entlang der gesamten
Schweißbahn (Richtung
des Pfeils F2) fortgesetzt wird, um die gewünschte Schweißnaht J
zu bilden.
-
Nun
bringt diese Art, mehrere übereinander angeordnete
Stücke
zu verschweißen,
mehrere Probleme mit sich.
-
Zuerst
ist zu verstehen, dass die Notwendigkeit, eine völlige Eindringung gleichsam
der Gesamtheit der Stücke
durchführen
zu müssen,
den Einsatz einer umso größeren Schweißenergie
erfordert, als die Anzahl von zu verbindenden Stücken groß ist, und vor allem als die
zu schmelzende Gesamtdicke hoch ist.
-
Aus
diesem Grund kann es sein, wenn die Energie nicht ausreichend ist,
dass das Schweißen des
letzten Stücks,
d.h. jenes, das sich unter dem Stapel befindet, unvollständig oder
mangelhaft ist.
-
Überdies,
wenn die zu verschweißenden Stücke feine
Bleche sind, typischerweise Bleche mit einer Dicke von 0,3 bis 1,5
mm, sind oft Verformungen der Enden dieser Bleche zu beobachten,
auf Grund der großen
eingesetzten Energie während
des Schweißens,
die zu einem Anheben dieser Ränder oder
Enden führt,
was spätere
Korrosionsprobleme hervorrufen und Gefahren für die Benutzer auf Grund des
Vorhandenseins von vorspringenden Kanten darstellen kann.
-
Andererseits
ist das Flanschen, d.h. der Vorgang, der darin besteht, die Bleche
dieses Montagetyps aneinander zu drücken und zu halten, nicht einfach
durchzuführen,
da oft nicht genügend
Platz ist, um die Montagebacken auf jeder Seite der Schweißschnur
zu positionieren.
-
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist nun, ein Schweißverfahren vorzuschlagen, das
es ermöglicht, die
oben genannten Probleme zu lösen
und ein wirksames und verbessertes Schweißen von mehreren übereinander
angeordneten Metallstücken,
d.h. ein Mehrfach-Dicken-Schweißen, zu
erhalten.
-
Die
Lösung
der Erfindung ist nun ein Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren von mehreren zu
schweißenden
Metallstücken
unter Verwendung von mindestens einem Laserstrahl und mindestens
einem Lichtbogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstücke in einer
Mehrfach-Dicken-Anordnung übereinander
geschichtet sind, und dass der Laserstrahl und der Lichtbogen die
Mehrfach-Dicken-Anordnung an den Kanten schweißen.
-
Je
nach Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren
ein oder mehrere der folgenden technischen Merkmale umfassen:
- – der
Lichtbogen und der Laserstrahl treffen auf eine selbe, auf der Kante
stehende Zone auf und schweißen
diese,
- – der
Lichtbogen und der Laserstrahl treffen ungefähr auf halber Distanz gemäß der Dicke
(E) der Mehrfach-Dicken-Anordnung auf,
- – die
Stücke
sind metallische Platten oder Folien,
- – der
Laserstrahl wird von einem Laseroszillator des Typs CO2 oder
YAG erzeugt,
- – die
Mehrfach-Dicken-Anordnung umfasst 2 bis 100 Stücke, vorzugsweise 3 bis 10
Stücke,
- – die
Mehrfach-Dicken-Anordnung weist eine Gesamtdicke (E) zwischen 0,5
mm und 20 mm, vorzugsweise von 1 bis 10 mm, auf,
- – der
Laserstrahl und der Plasma-Lichbogen, die zusammen kombiniert sind,
werden durch dieselbe Öffnung
einer Schweißdüse abgegeben,
- – während des
Schweißens
wird ein Gas verwendet, das Argon, Helium oder beides enthält,
- – der
Lichtbogen wird von einer schmelzbaren oder nicht schmelzbaren Elektrode
erzeugt,
- – die
zu schweißenden
Stücke
bestehen aus einem Material, das aus legierten oder nicht legierten,
ferritischen oder austenitischen Stählen ausgewählt wird, die eventuell mit
einer Zinkschicht überzogen
sind.
- – die
Eindringungsdistanz (D) des Kantenschweißens liegt zwischen 0,5 mm
und 10 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 1 mm.
-
Ausführungsbeispiel
-
Das
Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren
von mehreren übereinander
angeordneten Stücken
in einer Mehrfach-Dicken-Anordnung gemäß der Erfindung ist in den 2 bis 10 dargestellt.
-
Wie 2 zeigt,
werden erfindungsgemäß die Metallstücke 1 bis 4,
die durch Schweißen
zu verbinden sind und die hier 4 Stahlfolien oder -platten sind,
zuerst in der Mehrfach-Dicken-Anordnung, in der sie zu verschweißen sind, übereinander
gelegt.
-
Genauer
werden die Stücke 1 bis 4 derart positioniert,
dass ihre jeweiligen Kanten 1a bis 4a gegenüber dem
Schweißkopf
angeordnet sind, durch den der Laserstrahl und der Lichtbogen abgegeben werden.
-
Der
Laserstrahl und der Lichtbogen (schematisch durch den Pfeil 5 dargestellt)
treffen nun auf die Kanten 1a bis 4a der Stücke 1 bis 4 der
Mehrfach-Dicken-Ausführung oder
-Anordnung auf, um ein Schmelzen der Kanten 1a bis 4a und
die anschließende
Bildung einer Schweißnaht 6 zwischen den
Metallstücken
im Bereich der Kanten (1a bis 4a) durch Verfestigung
des geschmolzenen Metalls hervorzurufen, wie in den 3, 9 und 10 dargestellt.
-
Mit
anderen Worten beruht das erfindungsgemäße Schweißverfahren auf einer Verbindung
der Kanten 1a bis 4a der Stücke durch Schmelzen, d.h. der
Ränder,
die sich an den Enden der zu verbindenden Stücke 1 bis 4 befinden,
und zwar unter der kombinierten Wirkung des Laserstrahls und des
Lichtbogens, und nicht auf einem Schmelzen durch völlige Eindringung
der Stücke
mit Angriff über
eine der Seitenflächen
der Stücke,
wie herkömmlicherweise
im Stand der Technik durchgeführt
und in den 1a bis 1c dargestellt.
-
Die
Schweißnaht 6 kann
durch völliges Schmelzen
er Kante jedes der Stücke 1 bis 4,
d.h. gemäß der gesamten
Dicke E, wie in 3 durchgeführt, oder auch durch völliges Schmelzen
der Stücke 2, 3,
die sich in der Mitte der Anordnung befinden, und nur teilweises
Schmelzen der Kanten der Stücke 1, 4,
die sich beiderseits der Mehrfach-Dicken-Anordnung befinden, gebildet
werden, wie in 9 dargestellt, in der zu sehen
ist, dass obwohl ein Teil der Kanten 1a und 4a der
Stücke 1 bzw. 4 nicht
geschmolzen wurde, dennoch eine wirksame Schweißung 6 der Mehrfach-Dicken-Anordnung auf einer geringeren
Dicke e (e < E)
erzielt wird.
-
Dank
des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei
dem ein völliges
Schmelzen der gesamten Dicke E der Mehrfach-Dicken-Anordnung nicht erforderlich ist
(9), ist leicht zu verstehen, dass die einzusetzende
Energiemenge geringer als die herkömmlicherweise im Stand der
Technik eingesetzte ist (1a bis 1c),
wodurch die Gefahr einer Verformung der verschweißten Teil
umso geringer wird.
-
Da
ferner das erfindungsgemäße Schweißen an den
Kanten erfolgt, können
sich die Enden der so verschweißten
Stücke 1 bis 4 nicht
mehr abheben und für
die Benutzer gefährliche
vorspringende Kanten bilden, die die spätere Korrosion begünstigen.
-
Andererseits
ermöglicht
es das Hybridverfahren, sowohl die Eindringung als auch die Ausbreitung
der für
das Schweißen
an den kanten erforderlichen Schnur zu erhalten, da weder der Laser
alleine noch der Lichtbogen alleine es ermöglichen, sowohl die Schweißgeschwindigkeit,
als auch die Eindringung und die Ausbreitung, die mit einer guten
industriellen Produktivität
vereinbar sind, zu erhalten. Bei einer Mehrfach-Dicken-Anordnung
von 3 mm beispielsweise, bei der 4 Bleche mit Dicken von 1 und 0,5
mm bei einer Leistung des CO2-Lasers von
3kW und bei 130 A Lichtbogenstrom verschweißt werden, werden Schweißgeschwindigkeiten
von ungefähr
4 bis 5 m/min erzielt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann ferner verwendet werden, um Stücke zu schweißen, deren
Kanten 1a bis 4a in einer selben Ebene enthalten sind,
wie in 2 gezeigt, aber auch um Stücke zu schweißen, deren
Kanten 1a bis 4a in unterschiedlichen Ebenen liegen,
beispielsweise Kanten, die eine treppenartige Montage (4)
bilden, oder Montagen auf mehreren Ebenen oder in Stufen (5 bis 7).
-
Überdies,
obwohl das Verfahren im Rahmen des Schweißens einer Mehrfach-Dicken-Anordnung, die
von 4 Platten gebildet ist, als Beispiel beschrieben wurde, stellt
sich heraus, dass es auch für
Ausführungen
anwendbar ist, die nur 2 oder 3 Stücke umfassen, beispielsweise
eine Ausführung
mit 3 Stücken 1 bis 3,
wie in 8 dargestellt, oder umgekehrt für Ausführungen,
die mindestens 5 Stücke
umfassen. In jedem Fall ist es wesentlich, dass der Laserstrahl
und der Lichtbogen auf die Stücke
auf den Kanten eintreffen und sie schmelzen, d.h. in Richtung des
Pfeils 5 der 2 bis 8.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es, Mehrfach-Dicken-Montagen
zu verschweißen,
deren Gesamtdicke zwischen 0,5 mm und 20 mm beträgt. Die zu schweißenden Stücke können ihrerseits
eine selbe Dicke oder unterschiedliche Dicken aufweisen.
-
Das
Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren,
das für
die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist vollkommen herkömmlich und
basiert auf einer Kombination eines Laserstrahls und eines Lichtbogens,
die auf einen selben Punkt oder eine selbe Zone treffen, so dass
die Energien des Lichtbogens und des Strahls kombiniert werden,
um ein wirksames Schmelzen der zu schweißenden Produkte zu erhalten.
-
Diese
Technik ist dem Fachmann sehr gut bekannt, und Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren
sind insbesondere in folgenden Dokumenten beschrieben: EP-A-1162026; EP-A-1160047; EP-A-1160046;
EP-A-1160048; WO-A-02/16071; EP-A-793558;
EP-A-782489; EP-A-800434; US-A-5 006
688; US-A-5 700 989; EP-A-844042; Laser GTA „Welding of aluminium alloy
5052, TP Diebold et CE Albright, 1984, S. 18–24; SU-A-1815085, US-A-4 689 466;
Plasma arc augmented laser welding, RP Walduck et J. Biffin, S.
172–176,
1994; oder TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild
steel plate, Joining and Materials.
-
Das
Laser-Lichtbogen-Verfahren besteht darin, einen Lichtbogen zwischen
einer schmelzbaren oder nicht schmelzbaren Elektrode und dem oder den
zu schweißenden
Stücken
zu erzeugen und einen starken Laserstrahl, insbesondere einen Laser des
Typs YAG oder des Typs CO2, in die Lichtbogenzone
zu fokussieren, d.h. auf das Niveau oder in die Ebene der Schweißnaht.
-
Der
Einsatz eines Laser-Lichtbogen-Hybridschweißverfahrens
erfordert die Verwendung eines Schweißkopfes, der es ermöglicht,
den Laserstrahl und seine Fokussierungsvorrichtung zu kombinieren, sowie
einer entsprechenden schmelzbaren oder nicht schmelzbaren Schweißelektrode.
Der Laserstrahl wird gleichzeitig oder nach der Bildung des Lichtbogens
entsandt, damit sich der Strahl mit dem Lichtbogen kombiniert.
-
Mehrere
Ausführungen
von Köpfen
sind in den oben erwähnten
Dokumenten beschrieben, und zusammenfassend kann gesagt werden,
dass der Laserstrahl und der Lichtbogen von einem einzigen und selben
Schweißkopf
ausgegeben werden können,
d.h. dass sie durch dieselbe Öffnung
austreten, oder auch von zwei getrennten Schweißköpfen, wobei einer den Laserstrahl
und der andere den Lichtbogen oder den Plasmastrahl liefert, wobei
sich diese in der Schweißzone
vereinigen, wie beispielsweise in den Dokumenten WO-A-01/05550 oder EP-A-1084789 beschrieben.
-
Bei
der Herstellung der Schweißnaht
ist es notwendig, ein Unterstützungsgas
zu verwenden, um den Laserstrahl zu unterstützen und die Schweißzone vor äußeren Angriffen
zu schützen,
und ein Gas für
den Lichtbogen zu verwenden, insbesondere ein plasmagenes Gas, das
dazu dient, den Plasmastrahl im Falle eines Plasmaverfahrens zu
erzeugen.
-
Der
Lichtbogen kann ein Plasmastrahl, ein TIG-Lichtbogen, der von einer nicht schmelzbaren Wolfram-Elektrode erzeugt
wird, oder ein MIG-Lichtbogen sein, der am Ende einer schmelzbaren
Elektrode gebildet wird und es bei seinem progressiven Schmelzen
ermöglicht,
das Metallschmelzbad mit zusätzlich
zugeführtem
Metall zu versorgen. In jedem Fall kombinieren sich der Laserstrahl
und der Lichtbogen, um lokal ausreichend Leistungsdichte (Schweißenergie)
zu konzentrieren, um die Kanten 1a bis 4a der
zu schweißenden
Stücke 1 bis 4 zu schmelzen.
-
Die
Erfindung kann verwendet werden, um Metallstücke zu verbinden, die gleiche
oder unterschiedliche Dicken und/oder identische oder unterschiedliche metallurgische
Zusammensetzungen oder metallurgische Nuancen aufweisen.
-
Es
versteht sich, dass, um eine vollständige Schweißnaht 6 zu
erhalten, wie in 10 gezeigt, die zu schweißenden Stücke und
der Schweißkopf
eine Verschiebebewegung in Bezug zueinander ausführen, d.h. dass entweder die
Stücke
fest und der Schweißkopf
beweglich ist oder umgekehrt.
-
Überdies
ist zu betonen, dass die Schweißphase
in einem oder mehreren Durchgängen
erfolgen kann.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist für
das Schweißen
jeder Struktur anwendbar, die von mehreren metallischen Dicken gebildet
ist und auf der Kante geschweißt
werden kann, und kann beispielsweise verwendet werden, um Teile
von Wärmetauschern
zu schweißen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist auch für
das Kantenschweißen
von angehobenen Rändern
von Rohren oder Profilen anwendbar, d.h. von Stücken mit derselben Dicke oder
mit unterschiedlichen Dicken, deren Ränder nach außen getrieben werden,
wenn sie auf den Kanten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißt werden.