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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schweißverfahren beim Vorbeibewegen
eines dünnen
Metallbandes in Übereinstimmung
mit dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Schweißvorrichtung in Übereinstimmung
mit dem Oberbegriff von Anspruch 5.
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Es
ist gut bekannt, dass bei absolut nicht vorhandener Oberflächenbehandlung
der Absorptionskoeffizient der Laserenergie, d. h. der Energie,
die wirklich dafür
verwendet wird, um ein Metall an seinen Schmelzpunkt zu bringen,
sehr schwach ist, wobei mehr als 90% der Energie durch Reflexion
zerstreut wird. Bei Edelmetallen hat diese Energieverschwendung
wenig Einfluss auf die Kosten des Endproduktes. Bei den gewöhnlicheren
Metallen wie zum Beispiel Kupfer und Aluminium, die dazu bestimmt
sind, in Gebrauchsartikel mit hoher Stückzahl integriert zu werden,
ist es seit langem als notwendig erschienen, diesen Verlust durch
Reflexion zu verringern, indem zumindest örtlich eine Behandlung durchgeführt wird,
die darauf abzielt, die Oberfläche weniger
reflektierend zu gestalten.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, bestand sowohl auf dem Niveau des Schneidens
wie des Schweißens von
flachen Elementen die natürlichste
Lösung,
die bestimmt mindestens auf die sechziger Jahre zurückgeht, darin,
auf die Zone, bevor sie durch einen Laserstrahl behandelt wird,
einen nur schwach reflektierenden Überzug aufzubringen, wie zum
Beispiel eine Kolloidsuspension aus feinen Graphitpartikeln in Wasser.
In der Tat wird durch ein 1969 veröffentlichtes Patent
US 3,473,000 diese Technik
bereits kritisiert, und zwar im Fall einer Schweißung von
Metallteilen aneinander, indem der Überzug bei der Ausbildung der
Schweißnaht
intervenieren kann, indem seine mechanische Beständigkeit oder seine Korrosionsbeständigkeit
verringert wird. Diese Technik wird dennoch in großem Umfang
bei Überlappungsschweißungen verwendet,
zum Beispiel bei Kontaktschweißungen
bei integrierten Schaltungen, wie in dem Dokument
US 5,274,210 beschrieben. Um diese Unannehmlichkeit
zu beseitigen, die in dem Falle des Aneinanderschweißens zuvor
erwähnt
wurde, wird in dem Dokument
US
3,473,000 vorgeschlagen, einen schwarzen Körper zu
erzeugen, indem in den zu schweißenden Rändern Nuten ausgebildet werden.
Es ist offensichtlich, dass eine solche Verfahrensweise durch die dafür erforderliche
Verarbeitung nur bei Teilen als Gesamtheit und/oder bei Teilen anvisierbar
ist, die eine genügende
Dicke aufwiesen, wobei dies aber bei einer ununterbrochenen Massenproduktion
nicht geeignet ist.
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Die
späteren
Techniken haben sich erneut in Richtung einer Veränderung
der Oberfläche
orientiert. In diesem Sinne kann man das 1977 veröffentlichte
Dokument
US 4,023,005 zitieren,
in dem ein Verfahren beschrieben ist, welches darin besteht, durch
bekannte Plattierungs- oder Auf dampfungstechniken die zu schweißende Oberfläche mit
einem dünnen Überzug aus
einem Hilfsmetall zu überziehen,
welches niedrigere Reflexionseigenschaften aufweist und geeignet
ist, eine Legierung auszubilden, die gute mechanische Eigenschaften
aufweist. Vom mechanischen Gesichtspunkt her sind die Metallpaare
gut bekannt, die in verschiedenen Graden die erste Forderung erfüllen können (siehe
zum Beispiel die Veröffentlichung „Ease of
welding various metals" – Iron Age,
1. April 1965 – Chilton
Company). Wenn man die zweite Forderung hinzufügt, wird die Auswahl eingeschränkter, sogar
unmöglich.
Für Kupfer
kann das passende Hilfsmetall Nickel sein, jedoch für Aluminium
ist Magnesium, welches vom mechanischen Kriterium her am besten
geeignet wäre,
auf Grund seines silbernen Aussehens, d. h. der starken Reflexion, überhaupt
nicht geeignet. Außerdem
tragen die Vorgehensweisen zur Ablagerung dieser Hilfsmetalle stark
zum Anstieg der Kosten des Endproduktes bei, was für ein Massenverbrauchsprodukt
nicht wünschenswert
ist.
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Um
die zuvor erwähnte
Unannehmlichkeit zu beseitigen, wurde ebenfalls vorgeschlagen, das
Aussehen der Zone in der Nähe
der Schweißnaht
durch eine geeignete chemische Behandlung zu verändern, zum Beispiel durch die
Ausbildung von Oxiden, Chloriden oder Sulfaten auf einer Oberfläche aus
Kupfer. Eine solche Vorgehensweise bringt jedoch die Unannehmlichkeit
mit sich, dass sie keine präzise
Abgrenzung der behandelten Fläche
zulässt,
d. h. dass auf den Rändern
der Schweißnaht
Spuren von chemischen Angriffen hinterlassen werden, die sehr schwer
zu beseitigen sind, um dem Produkt ein fehlerloses Aussehen zu verleihen, was
ebenfalls zur Erhöhung
der Verfahrenskosten beiträgt.
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Bei
diesem zuvor erwähnten
Stand der Technik wird man beobachten, dass die Schweißung per
Laserstrahl immer Flachelemente betreffen wird.
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Im
Rahmen der Herstellung rohrförmiger
Elemente besteht der Gegenstand der deutschen Veröffentlichung
DE 34 07 417 im Laserschweißen von
jeweiligen, einander gegenüberliegenden
Rändern
eines Bandes aus dünnem
Metallblech auf Eisen- oder Aluminiumbasis in Hinsicht auf die Herstellung
von rohrförmigen Behältern, insbesondere
von Konservendosen ohne Überdeckung
der Ränder.
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Die
deutsche Veröffentlichung
DE-A-33 04 717 betrifft ebenfalls ein Herstellungsverfahren von
rohrförmigen
Elementen durch das Schweißen
von zwei Rändern
von dünnen
Metallbändern
durch einen Laserstrahl, bei dem auf die Verbindungszone der zwei
Ränder
ein Pulver aus demselben Werkstoff aufgebracht wird, um die Absorptionsfähigkeit
der Energie des Lasers zu erhöhen,
wobei das Pulver wie ein Lack aufgetragen wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Beseitigung der Unannehmlichkeiten,
die von dem zuvor er wähnten
Stand der Technik bekannt sind, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Schweißen
von dünnen
Metallbändern
bereitgestellt wird, um eine geschlossene rohrförmige Umhüllung auszubilden, indem zuvor
auf die Oberflächen
der einander gegenüberliegenden
Ränder
ein schwach reflektierender Überzug
aufgetragen wurde, der die Verringerung der Nutzenergie ermöglicht,
jedoch nicht in die Schweißnaht
eindringen wird.
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Zu
diesem Zweck besteht der Gegenstand der Erfindung in einem Schweißverfahren,
wie es in dem Oberbegriff festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Verbindungslinie vor der Ausführung des Schweißens mittels
des Laserstrahles ein Streifen aus einem flüssigen oder pastösen Werkstoff
aufgetragen wird, der eine Absorptionsfähigkeit für die Energie des Laserstrahles
aufweist, die höher
als diejenige des dünnen
Metallbandes ist, wobei der Streifen aus einem flüssigen oder
pastösen
Werkstoff so aufgetragen wird, dass er die Verbindungslinie abdeckt,
wobei der flüssige
oder pastöse
Werkstoff entweder mittels einer Walze, die mittels Schwerkraft
von einem Tank beschickt und auf der Verbindungslinie abgestützt wird,
oder mittels einer Spritzdüse
aufgetragen wird, die unter Druck von dem Tank beschickt wird, wobei
der flüssige
oder pastöse
Werkstoff mittels der Spritzdüse
in Form eines im Verhältnis
zu der Verbindungslinie streifend auftreffenden Strahles und senkrecht
zu der Letzteren ausgegeben wird.
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Dieses
Verfahren kann verwendet werden, indem eine feste Schweißstation
verwendet wird, unter der eine Verbindungslinie vorbeigeführt wird.
Diese letztere Ausführungsform
ist besonders gut an die Herstellung einer metallischen rohrförmigen Umhüllung angepasst,
die durch bekannte Einrichtungen wie zum Beispiel einen Zug von
Rollen angepasst ist, die paarweise angeordnet sind, um die Längsränder eines
selben Bandes bis auf die Höhe
des vorletzten Paares von Rollen einander anzunähern, auf dessen Höhe der schwach
reflektierende Werkstoff aufgetragen wird, wobei der Laserstrahl
auf der Verbindungslinie gebündelt
wird.
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Mit „fester
Station" ist eine
Station gemeint, die sich nicht über
der Verbindungslinie verlagert, sondern deren Ausgabekopf des Laserstrahles
eine bestimmte Beweglichkeit aufweisen kann, um die möglichen Durchlaufunregelmäßigkeiten
auszugleichen, wie insbesondere in dem Dokument
EP 0 934 796 vorgesehen, auf dem der
Oberbegriff der Ansprüche
1 und 5 aufgebaut ist.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird das dünne
Metallband einer rohrförmigen Hülle mittels
eines Zuges aus Paaren von Rollen angepasst, die zu zweit einander
gegenüberliegend
angeordnet sind, die Verbindungslinie wird ausgebildet, und der
Streifen aus dem flüssigen
oder pastösen
Werkstoff wird auf der Höhe
des vorletzten Paares von Rollen aufgetragen, und das Laserschweißen wird
auf der Höhe des
letzten Paares von Rollen durchgeführt.
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Vorzugsweise
wird eine Reinigung stromabwärts
der Laserschweißstation
ausgeführt.
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Der
flüssige
oder pastöse
Werkstoff, der eine Absorptionsfähigkeit
für die
Energie des Laserstrahles aufweist, die höher als diejenige des dünnen Metallbandes
ist, ist eine Zusammensetzung, die mindestens ein mikronisiertes
Kohlenstoffpigment und mindestens ein Bindemittel aufweist, welches
aus den mehrfach gesättigten
oder aromatischen Kohlenwasserstoffen ausgewählt ist.
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Die
Schweißvorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens umfasst Einrichtungen, um das dünne Metallband
fortschreitend zu krümmen,
um es an eine rohrförmige
Umhüllung
mit kreisförmigem
Querschnitt anzupassen, indem seine Ränder fortschreitend aneinander
angenähert
werden, um eine Verbindungslinie herzustellen, und Einrichtungen
zur Verlagerung der rohrförmigen
Umhüllung
zu einer festen Laserstrahlschweißstation, um ein Verschweißen der
zwei Ränder
des dünnen
Metallbandes entlang der Verbindungslinie zu bewirken, wobei die
Merkmale des Laserstrahles so eingestellt werden, dass die Verbindung
zwischen den Längsrändern des
dünnen
Metallbandes ausgeführt
wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Einrichtungen umfasst,
um auf der Verbindungslinie vor der Ausführung des Schweißens mittels
des Laserstrahles einen Streifen aus einem flüssigen oder pastösen Werkstoff
aufzutragen, der eine Absorptionsfähigkeit für die Energie des Laserstrahles
aufweist, die höher
als diejenige des dünnen Metallbandes
ist, wobei der Streifen aus einem flüssigen oder pastösen Werkstoff
so aufgetragen wird, dass er die Verbindungslinie abdeckt, wobei
die Auftragseinrichtungen eine mit einem Tank und einem Auftragselement
ausgestattete Auftragsstation aufweisen, wobei das Auftragsorgan
entweder eine Walze, die mittels Schwerkraft von dem Tank beschickt und
auf der Verbindungslinie abgestützt
wird, oder eine Spritzdüse
ist, die unter Druck von dem Tank beschickt wird und die so ausgerichtet
ist, dass der ausgebildete Strahl im Verhältnis zu der Verbindungslinie
streifend und senkrecht zu der Letzteren auftrifft.
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Die
Verwendung einer Spritzdüse
passt besonders gut zur Herstellung metallischer Umhüllungen,
da sie das Risiko des Eindringens von schwach reflektierendem Werkstoff
zwischen die Ränder
der Verbindungslinie weiter verringert.
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Auf
vorteilhafte Art und Weise umfasst die Vorrichtung einen Zug aus
Paaren von Rollen, die zu zweit einander gegenüberliegend angeordnet sind,
zum Anpassen des dünnen
Metallbandes an eine rohrförmige Umhüllung mit
kreisförmigem
Querschnitt durch fortschreitende Annäherung seiner Ränder aneinander,
um eine Verbindungslinie auszubilden.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung außerdem
eine stromabwärts
der festen Laserstrahlschweißstation
angeordnete Reinigungsstation.
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Man
wird bemerken, dass, da die Verbindungslinie auf einer gekrümmten Fläche angeordnet
ist, die Menge an schwach reflektierendem Werkstoff, der in der
Lage ist, sich mit der Ausbildung der Schweißnaht zu überlagern, auf ein Minimum
verringert wird. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung
ermöglichen
somit die maximale Verringerung des Risikos, dass der schwach reflektierende
Werkstoff in die Schweißnaht
gezogen wird, und verbessern folglich die mechanische Festigkeit
und die Korrosionsbeständigkeit,
wobei gleichzeitig die Verringerung des Energiebedarfes um einen
zwischen 2 und 10 liegenden Faktor ermöglicht wird.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden an Hand der Lektüre der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung offensichtlich, die unter Bezugnahme
auf die dazugehörigen
Zeichnungen gegeben ist, wobei:
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1 eine
schematische perspektivische Darstellung einer Schweißstation
gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
Schnittdarstellung eines ersten Auftragsmodus des schwach reflektierenden
Werkstoffes entsprechend der Ebene der Verbindungslinie ist; und
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3 eine
schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Auftragsmodus
des schwach reflektierenden Werkstoffes ist.
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Das
in 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel
betrifft eine feste Schweißstation 2,
die das Schweißen
von zwei Rändern 3a, 3b eines
selben Bandes 3 beim Vorbeibewegen ermöglicht. Sie betrifft genauer
ausgedrückt
eine Anlage, bei der ein einziges Metallband 3, welches
mit einer durch den Pfeil I symbolisierten Vorrückvorrichtung verbunden ist,
fortschreitend durch die Annäherung
seiner Längsränder 3a, 3b angepasst
wird, die dazu bestimmt sind, geschweißt zu werden, um eine dünne metallische
Umhüllung 4 auszubilden.
Die Verwendung solcher Umhüllungen
ist bei der Herstellung von Kabeln oder Schläuchen sehr geläufig, um
deren Ummantelung oder Abschirmung sicherzustellen, um eine elektromagnetische
oder elektronische Abschirmung sicherzustellen, um den Transport
eines Kurzschlussstromes zu ermöglichen
oder um ihren Widerstand gegenüber
aggressive äußere Einflüsse zu erhöhen.
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Auf
bekannte Art und Weise umfasst die Anlage einen Zug von paarweise
angeordneten Rollen, wovon drei 15a, 15b; 16a, 16b; 17a, 17b dargestellt
sind. Diese Rollen sind auf einem Gestell 1 ausgerichtet.
Die durch nicht dargestellte Einrichtungen fest mit dem Gestell 1 verbundene
Schweißstation 2 ist
zwischen dem vorletzten Paar von Rollen 16a, 16b und
dem letzten Paar von Rollen 17a, 17b angeordnet.
Die Schweißstation 2 umfasst
einen Posten 10 zum Auftragen eines schwach reflektierenden
Werkstoffes 6 und eine Station 9 zur Ausgabe eines
Laserstrahles, wobei die zwei Stationen 9, 10 über einer
durch die Annäherung
der Ränder 3a, 3b ausgebildeten
Verbindungslinie 5 ausgerichtet sind.
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Die
Laserausgabestation 9 ist von klassischer Konzeption und
wird weiter vorne beschrieben. Man kann zum Beispiel unter den am
meisten verwendeten Lasern den Nd:YAG-Laser zitieren, der λ = 1,06 μm ausgibt,
und den CO2-Laser, der λ = 10,6 μm ausgibt, für welche die Werte der Absorptionskoeffizienten
bei nicht behandelten Aluminium- oder Kupferflächen gut bekannt sind, die
zum Beispiel unter Bezugnahme auf Stahl verwendet werden, der einen
erhöhten
Absorptionskoeffizienten aufweist.
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Die
Station 10 zum Auftragen von schwach reflektierendem Werkstoff,
die in 2 schematisch im Schnitt dargestellt ist, besteht
aus einem Tank 11, der durch Schwerkraft eine Walze 12 beschickt,
die vertikal auf die Verbindungslinie 5 aufgebracht wird.
Es sind schon Zusammensetzungen bekannt, die das Erhalten von schwach
reflektierendem Werkstoff bei den zuvor zitierten Wellenlängen ermöglichen.
Diese Zusammensetzungen umfassen eines oder mehrere Pigmente und
ein Bindemittel, welches insbesondere die Einstellung der Viskosität und eine
ausreichende Haftung auf der behandelten Fläche zulässt. Unter den im Rahmen der vorliegenden
Erfindung durchgeführten Versuchen
umfassen die am meisten geeigneten Zusammensetzungen als Pigment
ein mikronisiertes Kohlenstoffpuder und als Bindemittel einen oder
mehrere mehrfach gesättigte
oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Benzol. Bei
dem Auftragsmodus des schwach reflektierenden Werkstoffes 6 wird
eine Zusammensetzung ausgewählt,
die es ermöglichen
wird, eine Viskosität zu
haben, die etwas unter derjenigen einer dicken Paste liegt.
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Bei
der in 3 schematisch dargestellten Ausführungsform
unterscheidet sich die Auftragsstation 10 für den schwach
reflektierenden Werkstoff 6 von dem zuvor beschriebenen
darin, dass sie eine Spritzdüse 13 umfasst,
die unter Druck von einem Tank 11 beschickt wird, die ausgerichtet
ist, um einen Strahl 14 auf die Verbindungslinie 5 zu
richten. Dadurch, dass die Ausrichtung des Strahles 14 streifend
und senkrecht zu derselben ist, kann ein Streifen 7 aus
schwach reflektierendem Werkstoff 6 ausgebildet werden,
der die Verbindungslinie 5 noch weniger befeuchtet, was
weiter zu einer Verbesserung der gewünschten Eigenschaften für die Schweißnaht 8 beiträgt. In diesem
Fall können
die Pigmente und die Bindemittel dieselben sein wie diejenigen,
die bei der ersten Ausführungsform
angegeben wurden, wobei ihre Proportionen jedoch verändert werden
müssen,
um eine niedrigere Viskosität
aufzuweisen.
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Außer der
Station 10 zum Auftragen des schwach reflektierenden Werkstoffes 6 und
der Laserstrahlausgabestation 9 kann die Schweißstation 10 außerdem eine
Reini gungsstation 18 umfassen, die stromabwärts der
Station 9 angeordnet ist, um die Beseitigung möglicher
Rückstände von
schwach reflektierendem Werkstoff 6 zu ermöglichen,
zum Beispiel durch Waschen mit einem Wasserstrahl, Bürsten oder
Abschleifen mit einem Schleifband.
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Es
ist offensichtlich, dass die soeben beschriebene Erfindung in andere
Verfahren zur Anpassung metallischer Umhüllungen integriert werden kann,
zum Beispiel in das in dem Dokument
EP
0 934796 beschriebene Verfahren, welches die Steuerung
der Qualität
der ausgeführten
Schweißung
ermöglicht.
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Fachleute
sind außerdem,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, in der
Lage, das Verfahren gemäß der Erfindung
und seine Durchführung
an andere Anlagenarten anzupassen, bei denen zur Abschwächung des
Energieverbrauches das Auftragsverfahren für einen schwach reflektierenden Überzug verwendet
wird, welches soeben beschrieben wurde.
