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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine hybride Schweißvorrichtung,
wobei Lichtbogenschweißen und
Laserschweißen
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 kombiniert werden. Ein Beispiel einer derartigen
Vorrichtung ist in der US-A-4,167,662
offenbart und insbesondere eine hybride Schweißvorrichtung, die derart konstruiert
ist, dass eine Toleranz für
den Winkel eines Schweißkopfes
zu einer Schweißfase
eines Basismetalls groß ist,
Energie innerhalb eines schmaleren Bereiches gebündelt werden kann, um ein tieferes
Eindringen in das Basismetall zu ermöglichen, die Schweißgeschwindigkeit hoch
ist und der Schweißkopf
von kleiner Größe ist.
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Laserschweißen und Schutzgas-Lichtbogenschweißen sind
Beispiele für
die Schweißtechnik zum
Verschweißen
von Festkörpermetallen.
Das Laserschweißen
ist ein Verfahren, bei dem ein Laserstrahl an einem Punkt auf einem
Schweißbasismetall mittels
eines optischen Systems gebündelt
wird, das sich aus Linsen und dergleichen zusammensetzt. Dieses
Verfahren ist für
das Schweißen
von Feuerfestmaterialien geeignet. Zum Laserschweißen wird ein
dafür bestimmter
Laserschweißkopf
verwendet.
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Anderseits ist das Schutzgas-Lichtbogenschweißen ein
Verfahren, bei dem ein elektrischer Lichtbogen zwischen einem Basismetall
und einer drahtartigen Abschmelzmetall-Elektrode erzeugt wird, die
automatisch von einer Spule zugeführt wird, und ein Gas, wie
zum Beispiel Kohlendioxidgas, gezwungen wird, von dem Bogen weg
zu den abgeschirmten Schweißbereichen
zu strömen.
Ein dafür bestimmter
Lichtbogenschweißkopf
wird für
das Schutzgas-Lichtbogen-schweißen
verwendet.
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Gemäß dem vorgenannten Laserschweißen wird
der Laserstrahl jedoch mittels eines optischen Systems oder Linsen
gebündelt,
so dass eine Toleranz für
den Winkel des Laserstrahls zur Schweißfase klein ist. Dementsprechend
muss der Genauigkeitsgrad des Abstrahlwinkels zu der Schweißfase exakt
beibehalten werden. Zudem wird beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen der
Lichtbogen instabil werden, wenn die Schweißgeschwindigkeit erhöht ist.
Für stabiles
Schutzgas-Lichtbogenschweißen
ist daher die Vorschubgeschwindigkeit für die Abschmelzmetallelektrode
auf ungefähr
2 m/min beschränkt.
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Mit dem hybriden Schweißen, bei
dem das Laserschweißen
und das Schutzgas-Lichtbogenschweißen kombiniert
sind, wird versucht, die Nachteile der zwei herkömmlichen Schweißverfahren
auszugleichen.
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Das hybride Schweißen ist
ein Verfahren, bei dem ein Lichtbogen von einer Elektrode und ein
Laserstrahl derart ausgerichtet werden, dass deren Wärmeenergie
dafür verwendet
werden kann, eine Schweißzone
eines Basismetalls zu schweißen.
Bei einer hybriden Schweißvorrichtung
müssen
ein Laserschweißkopf
und ein Schutzgas-Lichtbogenschweißkopf in ihrem jeweiligen Winkel
zum Basismetall geneigt sein, damit sie sich nicht gegenseitig stören, um
einen Bündelungspunkt
des Laserstrahls aus dem Laserschweißkopf und einen Bündelungspunkt
des Lichtbogens aus dem Lichtbogenschweißkopf auf die Schweißzone des
Basismetalls auszurichten.
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Da in diesem Fall die Köpfe in Bezug
auf das Basismetall geneigt sind, ist damit jedoch ein Wärmeenergieverlust
verbunden, so dass die Schweißdurchdringung
des Basismetalls nicht tief genug wird.
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Da die Schweißköpfe großformatig sind, bestehen Einschränkungen
hinsichtlich der Art des Schweißobjektes
und Schweißzonen,
woraus eine unbefriedigende Arbeitsleistung resultiert. Zudem sind
die großformatigen
Schweißköpfe schwierig
zu handhaben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine kompakte hybride Schweißvorrichtung mit hohem Schweißgeschwindigkeitsvermögen zu schaffen,
wobei eine Toleranz für
den Winkel eines Schweißkopfes
zur Schweißfase
eines Basismetalls vergrößert werden
kann.
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Um das oben genannte Ziel zu erreichen,
ist eine hybride Schweißvorrichtung
gemäß Anspruch
1 definiert.
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Erfindungsgemäß sind die optische Achse des
Laserstrahls und der Schweißdraht
koaxial zueinander angeordnet, so dass Toleranzen für die Winkel
der optischen Achse und des Drahtes zu einer Schweißfase des
Basismetalls groß genug
sind, um eine zufriedenstellende Arbeitsleistung zu sichern. Da
der Laserstrahl und der Lichtbogen des Schweißdrahtes genau gebündelt werden
können,
kann außerdem
die Wärmeenergie
konzentriert werden, um die Eindringtiefe in das Basismetall zu
vergrößern und
die Schweißgeschwindigkeit
zu erhöhen.
Außerdem
kann die Größe eines
Schweißkopfes
der Schweißvorrichtung
reduziert werden.
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Gemäß einem anderen Merkmal der
Erfindung ist eine röhrenförmige Führungshalterung
für die
laufende Drahtzufuhr koaxial mit dem Lichtweg des Laserstrahls angeordnet.
Der Schweißdraht
wird durch die Führungshalterung
geführt.
In der Führungshalterung
ist eine Kühlpassage
definiert, in der ein Kühlmittel,
z. B. Wasser, zum Kühlen
der Halterung zirkuliert. Ein Überhitzen
der Führungshalterung,
die sich während
des Schweißens
erwärmt, kann
vermieden werden, indem sie mit dem zirkulierenden Kühlmittel
auf diese Art gekühlt
wird.
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Da die Führungshalterung koaxial zur
optischen Bahn des Laserstrahls angeordnet ist, wird sie auch noch
durch den darauf wirkenden Laserstrahl erwärmt. Da sie jedoch mit dem
Kühlmittel
gekühlt wird,
tritt ein Überhitzen
der Führungshalterung
niemals auf. Daher ist es nicht erforderlich, einen Mechanismus
zum Abschirmen der Halterung von dem Laserstrahl zu schaffen oder
eine komplizierte optische Bahn derart zu gestalten, dass der Laserstrahl aufgeteilt
wird, damit er nicht auf die Halterung wirkt. Folglich kann die
Konstruktion der Schweißvorrichtung
vereinfacht und ein akkurat auftreffender Lichtpunkt des Laserstrahls
gebildet werden.
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In dieser Zusammenfassung der Erfindung sind
nicht unbedingt alle erforderlichen Merkmale beschrieben, so dass
die Erfindung auch eine Unterkombination von diesen beschriebenen
Merkmalen sein kann.
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Die Erfindung wird anhand der nachstehend ausführlichen
Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen verständlicher,
in denen:
die einzige Figur eine vertikale Schnittansicht ist,
die einen Teil einer hybriden Schweißvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
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Eine hybride Schweißvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst einen Kombi-Schweißkopf 10 und einen
Lasergenerator 11. Der Generator 11 ist mit einem
Ende eines Lichtwellenleiters 12 verbunden, dessen anderes
Ende mit einem Lichtwellenleiteranschluss 13 verbunden
ist. Dadurch kann ein von dem Generator 11 ausgestrahlter Laserstrahl
zu dem Anschluss 13 gelenkt werden. Der durch den Anschluss 13 übertragene
Laserstrahl läuft
durch ein Leit-element 14 zum Leiten des Laserstrahls.
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Das Leitelement 14 ist mit
einem Lichtwellenleiterantriebssystem 15 verbunden, das
den Brennpunktabstand des Laserstrahls, wenn dieser aktiviert ist,
einstellen kann.
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Der in das Leitelement 14 geführte Laserstrahl
wird in einen Reflektorbefestigungsabschnitt 16 durch das
untere Ende des Elementes 14 geleitet. Ein Paar Reflektoren 17 und 18 sind
in dem Befestigungsabschnitt 16 angeordnet. Der Reflektor 17,
der einen kleineren Durchmesser hat, ist dem unteren Endabschnitt
des Leitelementes 14 gegenüberliegend angeordnet.
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Der Reflektor 17 ist mit
einem Reflektorantriebssystem 19 verbunden, das den Reflektionswinkel
einstellen kann. Die optische Achse des Laserstrahls, der in einem
optischen System (wird später erwähnt) fortschreitet,
kann durch geeignetes Einstellen des Winkels reguliert werden.
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Der von dem Reflektor 17 reflektierte
Laserstrahl wird zu dem Reflektor 18 gelenkt, der einen größeren Durchmesser
hat. Der auf den Reflektor 18 auftreffende Laserstrahl
wird so reflektiert, dass seine optische Achse mit der eines optischen
Bündelungssystems 20 fluchtet.
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Das optische Bündelungssystem 20 setzt sich
aus Linsen 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 zusammen,
die in einem Rohr 28 angeordnet sind. Eine Glasschutzvorrichtung 29 ist
an dem unteren Ende des Rohres 28 angebracht, wodurch das
optische Bündelungssystem 20 in
dem Rohr 28 gegen Anhaften von Rauchgasen und Spritzern
geschützt
ist, die während
des Schweißens
erzeugt werden.
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Unter der Glasschutzvorrichtung 29 ist
eine Düse 31 als
Auslass vorgesehen, durch den der Laserstrahl auf ein Basismetall 30 konvergiert
und abgestrahlt wird.
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Lochabschnitte 21a bis 27a in
geeigneter Größe sind
in den jeweiligen mittleren Abschnitten des Reflektors 18 und
der Linsen 21 bis 27 ausgebildet. Diese Lochabschnitte 21a bis 27a werden
von einer Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr für
den Einsatz als Zufuhrhalterung für einen Schweißdraht
33,
der mit Gold ummantelt ist, durchdrungen. Die Halterung 32 ist
derart angeordnet, dass ihre Mittelachse mit der optischen Achse
des Laserstrahls fluchtet.
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Das untere Ende der Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr bildet eine distal Spitze 34 mit einem kleinen
Durchmesser derart, dass der Schweißdraht 33, eine Elektrode,
durch die Spitze 34 nach außen zwangsgeführt werden
kann. Die Halterung 32 hat die Form eines Hohlrohres, in
dem der Draht 33 aufgenommen werden kann. Das Innere der Halterung 32 ist
als ein Durchlass, durch den das Kabel 33 verläuft, und
ebenfalls als Kühlmitteldurchlass definiert,
durch den Kühlwasser
zirkuliert. Dadurch kann die Führungshalterung 32 gegen
Hitze, die während
des Schweißvorganges
erzeugt wird, geschützt
werden.
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Um das Kühlwasser der Kühlmittelpassage zuzuführen, ist
die distale Spitze 34 unter dem Rohr 28 mit einem
Kühlwassereinlassabschnitt 35 ausgestattet.
Das durch den Einlassabschnitt 35 eingeführte Kühlwasser
steigt in der Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr an und wird in einem Kühlwasserauslassabschnitt 36 am
oberen Ende der Halterung 32 abgelassen.
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Eine Schweißdrahtvorschubvorrichtung 37 ist
oberhalb des Reflektorbefestigungsabschnitt 16 angeordnet.
Die Vorschubvorrichtung 37 ist mit einer Spule versehen,
auf der der Schweißdraht 33 aufgewickelt
ist. Der Draht 33 kann mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit
in der Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr durch Rotation der Spule vorgeschoben werden.
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Die Düse 31 ist mit Hilfsschutzgaszufuhrmitteln
38 zum Zuführen
eines Hilfsschutzgases versehen. Dadurch können, wenn das Hilfschutzgas
von den Zufuhrmitteln 38 zugeführt wird, nachdem der Schweißdraht 33 vorgeschoben
ist, Schweißzonen abgeschirmt
werden, während
sie geschweißt
werden.
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Entsprechend der Zufuhr des Hilfsschutzgases
sind Hilfsgaszufuhrmittel 39 mit dem Inneren des Leitelementes 14 verbunden.
Die Zufuhrmittel 39 dienen dazu, das Kühlgas in das Leitelement 14 einzubringen
und dadurch den Lichtwellenleiteranschluss 13 und den Reflektor 17 zu
kühlen.
Das eingeführte Kühlgas wird
mit dem Hilfsschutzgas vermischt, um die Schweißzonen des Basismetalls 30 während des Schweißvorganges
abzuschirmen.
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Weiterhin ist der Reflektorbefestigungsabschnitt 16 mit
Kühlgaszufuhrmitteln 40 ausgestattet, durch
die ein Kühlgas
in den Befestigungsabschnitt 16 eingeführt wird, um den Reflektor 18,
die Linsen 21 bis 27, die Glasschutzvorrichtung 29 und
die Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr zu kühlen.
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Eine Lichtbogenschweiß-Spannungsquelle 41 zum
Zuführen
von anodenseitigem Strom in den Schweißdraht 33 ist außerhalb
des Rohres 28 vorgesehen. Die Spannungsquelle 41 ist
mit einem Ende eines Kabels 42 verbunden, dessen anderes
Ende mit einem Speiseanschluss 43, der an dem Kühlwassereinlassabschnitt 35 angebracht
ist, verbunden ist.
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Da der Kühlwassereinlassabschnitt 35 mit der
distalen Spitze 34 verbunden ist, wird Strom von der Lichtbogenschweiß-Spannungsquelle 41 dem Schweißdraht 33 durch
die Spitze 34 zugeführt.
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Die Lichtbogenschweiß-Spannungsquelle 41 ist
mit dem Basismetall 30 mittels eines Kabels 44 derart
verbunden, dass kathodenseitig an dem Basismetall 30 Spannung
angelegt werden kann.
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Nachstehend wird der Betrieb der
hybriden Schweißvorrichtung
mit der vorstehend genannten Konstruktion beschrieben.
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Zum Schweißen des Basismetalls 30 wird der
Lasergenerator 11 betätigt,
um den Laserstrahl abzustrahlen, und das Lichtwellenleiterantriebssystem 15 und
das Reflektorantriebssystem 19 werden angetrieben, um den
Brennpunkt und die optische Achse des Laserstrahls einzustellen
oder auszurichten. Nachdem die Einstellungen abgeschlossen sind, wird
der Generator 11 zum Ausstrahlen des Laserstrahls betätigt.
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Gleichzeitig wird die Schweißdrahtvorschubvorrichtung 37 betätigt, um
den Schweißdraht 33 in die
Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr zu führen,
wobei die Lichtbogenschweiß-Spannungsquelle 41 zum
Zuführen
von anodenseitigem und kathodenseitigem Strom zu dem Draht 33 bzw. dem
Basismetall 30 betätigt
wird.
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Dann werden die Hilfsschutzgaszufuhrmittel 38 betätigt, um
das Hilfsschutzgas durch die Düse 31 zuzuführen, wobei
das Basismetall 30 gleichzeitig laser und lichtbogengeschweißt wird.
Um die einzelnen Einheiten gegen Hitze zu schützen, die während des Schweißvorganges
erzeugt wird, werden in diesem Fall das Kühlwasser in die Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr durch den Kühlwassereinlassabschnitt 35 geleitet,
das Kühlgas
in das Leitelement 14 durch die Hilfsgaszufuhrmittel 39 geleitet, und
das Kühlgas
wird durch die Kühlgaszufuhrmittel 40 eingeführt. Dadurch
wird das Schweißen
des Basismetalls 30 verbessert.
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Bei dieser Konstruktionsart kann
der Kombi-Schweißkopf 10 verwendet
werden, um ein hybrides Schweißen,
das eine Kombination von Laserschweißen und Schutzgas-Lichtbodenschweißen ist, zu
bewirken. Dieses hybride Schweißen
kann mit einer höheren
Geschwindigkeit als beim herkömmlichen
Schutzgas-Lichtbodenschweißen durchgeführt werden.
Obwohl die herkömmliche
Schweißgeschwindigkeit
bis auf 2 m/min begrenzt ist, kann z. B durch das hybride Schweißen eine
höhere
Geschwindigkeit von 2 bis 3 m/min erreicht werden.
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Weiterhin können die Toleranzen für die Winkel
des Schweißdrahtes
und des Laserstrahls zu einer Schweißfase während des Schweißvorganges bis
auf den Grad für
das reguläre
Lichtbogenschweißen
vergrößert werden,
so dass die Schweißarbeit einfach
und sicher ist.
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Da das optische Bündelungssystem 20 und die
Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr koaxial und integral angeordnet sind, kann außerdem ein
kompakterer Kombi-Schweißkopf 10 erreicht
werden.
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Da die Führungshalterung 32 für die laufede Drahtzufuhr,
die konzentrisch mit der optischen Achse des optischen Bündelungssystems 20 ist,
in der optischen Bahn des Laserstrahls angeordnet ist, kann diese
auch durch den Laserstrahl erhitzt werden. Dementsprechend wird
die Halterung 32 durch sowohl die Hitze aus den Schweißbereichen
und die des Laserstrahls aufgeheizt, so dass deren Temperatur eventuell
auf ein zu hohes Niveau ansteigen könnte. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist
die Halterung 32 insbesondere so angeordnet, dass sie den
Reflektor 18 durchdringt, um die Größe des Schweißkopfes 10 zu
reduzieren. In dem dem Reflektor 18 entsprechenden Bereich
wird daher der Laserstrahl in rechten Winkeln zu der Führungshalterung 32 gerichtet,
so dass die Halterung 32 in diesem Bereich überhitzt
ist.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird
die Führungshalterung 32 für die laufende
Drahtzufuhr mit Kühlmittel,
z. B. Kühlwasser,
gekühlt,
das darin zirkuliert, so dass verhindert wird, dass sie durch Überhitzen
beschädigt
wird.
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Dadurch kann die Vorrichtung entsprechend der
vorliegenden Ausführungsform
von einfacher Konstruktion sein, ohne dass es erforderlich ist,
einen Abschirmungsmechanismus zum Abschirmen der Führungshalterung 32 von
dem Laserstrahl oder Mittel zum Aufspalten des Laserstrahls, damit
er nicht auf die Halterung wirkt, zu verwenden.