EP3946799A1 - Verfahren zum laser-verschweissen mit einer mobilen unterdruckkammer und unterdruckkammer dafür - Google Patents

Verfahren zum laser-verschweissen mit einer mobilen unterdruckkammer und unterdruckkammer dafür

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Publication number
EP3946799A1
EP3946799A1 EP20717574.6A EP20717574A EP3946799A1 EP 3946799 A1 EP3946799 A1 EP 3946799A1 EP 20717574 A EP20717574 A EP 20717574A EP 3946799 A1 EP3946799 A1 EP 3946799A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
joint gap
gap
welding
joint
pressure chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20717574.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin GERHARDS
Christian OTTEN
Markus Schleser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fachhochschule Aachen
Original Assignee
Fachhochschule Aachen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fachhochschule Aachen filed Critical Fachhochschule Aachen
Publication of EP3946799A1 publication Critical patent/EP3946799A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/127—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an enclosure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
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    • B23K26/044—Seam tracking
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    • B23K26/1224—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in vacuum
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding

Definitions

  • the invention relates to a method for laser welding two
  • the invention also relates to a mobile vacuum chamber comprising a chamber housing with a
  • Has opening the opening edge of which can be placed on the joint partner surface in a sealed manner and which has a coupling area for a laser beam opposite the opening.
  • Vacuum conditions can be made.
  • Welding under a vacuum chamber has the advantage that, on the one hand, oxidation of the joining partners is avoided or at least reduced and that a smaller melt pool is formed around the laser beam. Furthermore, a higher welding depth compared to the
  • Atmospheric pressure can be achieved.
  • Welding consumables can be introduced into the vacuum chamber and only under this zero gap condition without welding consumables can a notch-free connection without seam incidence between the joining partners be achieved.
  • Joining partners understood to be smaller than 25 micrometers. It can be seen that compliance with such a condition is difficult to achieve, especially with large thicknesses of the joining partners, in particular because of the tolerances that occur under manufacturing conditions.
  • the process of welding under a vacuum chamber has thus hitherto required a very precise pretreatment of the parts to be joined and has therefore not yet become established in the welding of parts to be joined with a comparatively large thickness, in particular greater than 10 mm.
  • this object is achieved in that, before the start of the welding, the joint gap is closed in all surface areas of the joint partners in which the joint gap is open to the environment, except for a start area, and the non-closed start area of the joint gap is completely covered by the mobile vacuum chamber will and the
  • Negative pressure chamber is placed under negative pressure and with the negative pressure chamber through the non-closed start area of the joint gap, the entire closed space formed between the joint partners in the joint gap sealed to the outside is evacuated through the negative pressure chamber and starting from the starting area with the laser the joint gap under local
  • this entire space area between the joining partners, which is subsequently closed can be evacuated by the negative pressure in the negative pressure chamber without ambient air from outside reaching the negative pressure chamber through the joint gap.
  • this spatial area of the joint gap there is preferably a negative pressure which corresponds to the pressure directly below the negative pressure chamber.
  • the joint gap is therefore preferred as a whole, i.e. over his entire
  • the invention can therefore also be used under the zero gap condition
  • the joining partners are welded and, according to the invention, even the low leakage air flow caused by the zero gap is prevented.
  • the joint gap between the joint partners is formed by placing the joint partners next to one another, the distance between the opposing joint partners being outside the tolerances of a technical zero gap, in particular the joint partners being arranged in the I-joint with non-ground edges .
  • joining partners can thus be placed against one another with the roughness of their surfaces defining the joining gap to form a joining gap, which is provided by a conventional method for cutting material, such as water jet cutting, laser cutting, plasma cutting, sawing, burning, etc.
  • a conventional method for cutting material such as water jet cutting, laser cutting, plasma cutting, sawing, burning, etc.
  • joining partners with a thickness greater than 10 mm, preferably greater than 20 mm, more preferably greater than 30 mm, further preferably greater than 40 mm, further preferably greater than 50 mm, more preferably can be used with significantly reduced effort compared to the prior art larger than 60 mm, even more preferably larger than 70 mm, even more preferably larger than 80 mm, preferably larger than 90 mm and more preferably larger than 100 mm or even more are welded to one another. More preferably, this can be done in a single welding pass.
  • the invention can provide that in order to close the joint gap, at least one sealant bridging the joint gap is applied at least to the root-side surface of the joint partners and the upper surface of the joint partners. E.g. In the case of peripheral welding of butted pipes, this is sufficient, since the joint gap is only open to the environment on the surface on the root side and on the upper surface of the joint partners.
  • the invention provides for the joint gap to be closed on these end-face surfaces as well.
  • Inlet and / or outlet plates arranged in front of and / or after the joint gap are used, which are sealed at the end of the joint partners.
  • the top surface lies opposite the root surface and is given by the surface from which the laser beam hits the joint partner.
  • the closure of the joint gap with respect to the environment is locally destroyed during the welding process under the vacuum chamber, starting from the non-closed starting area.
  • Any measures and can therefore be used for the preferably gas-tight closing Sealants are used to effect the closure, as the
  • Sealing the sealant used also evaporates under the action of the laser and can be led out of the vacuum chamber through the vacuum connection.
  • the sealant is preferred for
  • Closing the joint gap is chosen so that it can also become part of the weld seam.
  • a particularly preferred procedure provides that the at least one sealing means is formed by a weld seam which is arranged on the surfaces of the joining partner to bridge the gap.
  • a weld seam can e.g. be carried out by means of an arc welding.
  • the arc welding can e.g. be carried out without welding consumables, i.e. a surface melting can only be generated by the effect of the pure arc, which closes the zero gap.
  • a surface melting can only be generated by the effect of the pure arc, which closes the zero gap.
  • the welding filler material can preferably be formed by such a metal alloy that can remain in the later weld seam that is produced under the vacuum chamber. In particular, it can be the same additive that is also used in a possible supply under the vacuum chamber.
  • the invention can provide for a metal sheet metal strip or a metal foil to bridge the gap to be arranged on the surfaces to be joined, in particular to be glued or soldered or welded to the surfaces to close the joint gap.
  • an adhesive tape can also be applied to the gap-bridging
  • Joint partner surfaces are arranged, in particular glued on.
  • the only requirement for the adhesive tape is that it is sufficiently gas-tight.
  • this can be given by a gas-tight lamination of the adhesive tape, for example by a metal lamination or plastic film lamination.
  • the sealing means can be applied in the circumferential direction of the joint gap over the adjacent surfaces of the joint partners, e.g. starting from the end of the named start area to the beginning or vice versa.
  • the sealant at the beginning and end of the joint gap can also be placed over the front surfaces.
  • the invention can further provide that before closing the
  • Joining gap the joining partners are attached to one another to stabilize the position, in particular by local welding.
  • a particularly preferred development of the invention can provide that, before or during the closing of the joint gap along the joint gap, geometry parameters of the joint gap are measured and stored at a large number of joint gap positions, with the welding parameters being changed as a function of the welding of the joint gap under the mobile vacuum chamber the current joint gap position at the welding location and the geometry parameters stored for this joint gap position.
  • Geometry parameters can e.g. be the gap width and / or the edge offset.
  • the geometry parameters can be along the joint gap for discrete
  • Coordinates or continuously recorded For the acquisition, e.g. a light section sensor can be used, preferably in which a projected laser line crossing the joint gap is detected optically, for example with a camera, with the desired geometry parameters being calculated back from the optically detected line course.
  • Other sensors can also be used, e.g. Eddy current sensors with which geometrical parameters can be deduced from differences in the electromagnetic field on both sides of the joint gap.
  • the lateral guidance of the laser beam can be corrected, the laser beam intensity can be changed and the welding speed can be varied and in particular the parameters of a beam oscillation (e.g.
  • Welding parameters can be changed alternatively and also in any cumulation.
  • the invention preferably provides that the metrological detection during the closing of the joint gap by means of a
  • Arc welding takes place by measuring the joint gap in advance of the arc, preferably by means of a sensor system, preferably a light section sensor or a camera, which is moved along with the torch head. In this way, the sealing and saving of the geometry parameters can take place in a single process step.
  • a sensor system preferably a light section sensor or a camera
  • the peculiarity of this procedure includes that the joint gap changes as a result of welding with the arc and this change is preferably taken into account when parameterizing the subsequent beam welding process in the mobile vacuum chamber.
  • Adaptation of the welding parameters is therefore preceded by a virtual change in the gap geometry, in contrast to the usual welding parameters that vary based on geometric parameters.
  • the invention can also be used to weld the joint partners under the zero gap condition.
  • Joining partner opens up the possibility that the joining partners can also lie against one another with a joining gap that does not meet the requirements for a technical zero gap, in particular that the joining gap is wider than 25 micrometers. In practical terms, even such a joint gap enables better evacuation of the spatial area between the joint partners because of the better flow conditions.
  • the invention can provide the joint gap greater than 25 micrometers, more preferably greater than 100 micrometers, further preferably greater than 1000 micrometers, further preferably greater than 2500
  • Micrometers even more preferably greater than 5000 micrometers.
  • the invention in particular with a joint gap larger than a technical zero gap, can provide that the laser is guided in a tumbling / oscillating or circling manner over the joint gap during welding, in particular thus repeatedly crossing the joint gap.
  • the invention can preferably provide for the welding to be carried out without additional material in the case of joint gap widths of less than or equal to 500 micrometers / 0.5 mm.
  • a joint gap of over 500 micrometers or 0.5 mm is preferred with a
  • the invention can provide, independently of the joint gap width, in particular also when the closed joint gap is basically welded without welding filler material, that at least in the unsealed joint gap
  • Filler material in particular a welding wire for welding the unsealed joint gap, is supplied.
  • the invention can now provide that by means of a vacuum tightness
  • a welding wire is fed into the weld pool zone of the laser beam and / or into the laser beam.
  • a welding additive of the welding wire in the melt zone.
  • the invention can provide for a vacuum-tight passage for a welding wire to be arranged in the chamber wall of the mobile vacuum chamber.
  • a vacuum-tight passage for a welding wire to be arranged in the chamber wall of the mobile vacuum chamber.
  • Such an implementation can e.g. have a guide sleeve with which a welding wire can be guided on a line which intersects the optical axis of the laser beam, preferably in or below the
  • the feeding of the welding wire can lead to wear of the seal in the bushing, so that the invention can preferably provide the seal as an exchangeable one with the welding wire
  • pierceable and / or adjustable in passage diameter seal Preferably it is under a pierceable seal
  • the invention can further provide that the negative pressure in the mobile negative pressure chamber is measured, e.g. it is then compared with a stored limit value which must not be exceeded. This can be done in a control unit, e.g. the one with which geometry and / or welding parameters are also processed.
  • the invention can preferably provide that the welding parameters are adapted as a function of the joint gap.
  • the welding parameters preferably include the welding speed and / or the beam power and / or the pendulum amplitude and / or frequency and / or the point of impact of the welding wire relative to the beam. This is preferably chosen so that about half of the wire is immersed in the weld pool, while the other half of the wire is conveyed directly into the laser beam.
  • no filler material is preferably required.
  • a gap width of 0.5 mm or more provision can preferably be made to feed in a filler wire, in particular then one
  • Oscillation preferably circular oscillation of the beam to be used.
  • the distance between the point of impact of the wire and the center of the (preferably circular) beam oscillation figure can now preferably be adjusted so that a larger part of the wire is not conveyed into the laser beam. It can be provided when the amplitude of the Beam oscillation to increase an offset between the wire and the center of the (preferably circular) beam oscillation figure. This means that the orientation of the beam and wire impact point always remains the same relative to one another.
  • the adaptation is preferably carried out in such a way that at least essentially half of the wire is conveyed into the beam and the other half into the weld pool.
  • the invention can provide that the
  • Penetration depth of the laser beam at the location of the joint gap in the two joint partners is regulated depending on the contactless, in particular with one
  • Ratio pyrometer temperature measured on the side of the joint partners facing away from the vacuum chamber at the closed joint gap. This side facing away from the vacuum chamber forms the root weld of the beam weld to be carried out with the laser beam, provided that the joint gap has been tightly sealed there with a weld.
  • the invention can then preferably provide that the beam weld seam generated by means of the mobile vacuum chamber penetrates into the root weld, preferably root weld generated by an arc weld, in particular without penetrating it.
  • the beam welding is preferably carried out so that between the lowest point of the
  • the beam weld seam and the preferably arc-welded root leave a distance, preferably 1-2 mm, through which the temperature on the root side or the closed joint gap is in a non-contact measuring range, in particular in a range of 500-1000 ° C.
  • This temperature range also ensures that the root or the closed joint gap does not melt on the outside in the direction of the surroundings and the negative pressure is broken as a result.
  • the temperature at the closed joint gap or at the root weld can be measured without contact from the side opposite the laser beam optics / the vacuum chamber, for example measured with a pyrometer, preferably a quotient pyrometer, and the temperature measured value be assigned to a value of the welding depth.
  • Actively regulate the welding depth of the beam welding in particular by regulating a specified target temperature at the root, so that welding through the preferably arc-welded root is prevented and the joint gap can be melted over its entire depth.
  • FIG. 1 shows the application of the method when welding two flat sheet metal strips as joining partners 1 and 2. Between these a joint gap 3 is arranged, in particular which is larger than the conditions for a technical zero gap would require.
  • the invention now provides for the joint gap 3, except for a starting area 4, to be closed on all surface areas of the opposing joint partners 1 and 2 in which the joint gap 3 is open to the external environment, in particular to seal it in a gastight manner. This procedure applies to all versions, regardless of the variant shown here.
  • Sealant 5 is applied so that this starting area is open to the environment as long as the mobile vacuum chamber 6 has not yet been placed over starting area 4.
  • an inlet plate 7a or outlet plate 7b for the laser beam 8 is provided on the joining partners 1 and 2 at the start area of the joint gap 3 and at the end area.
  • this sheet 7a, 7b no sealing of the joint gap 3 in the end area 1c / 2c of the joint partners 1 and 2 is carried out in this application, but this can alternatively also be possible.
  • Figure 2 shows the situation in a section perpendicular through the
  • Inlet plate 7a is placed in such a way that the vacuum chamber completely covers the open starting area.
  • the vacuum chamber 6 is therefore also pumped out of the space in the gap area 3 via the vacuum connection 6a. In particular, the same prevail in the sealed gap 3 and under the vacuum chamber 6
  • the figure 2 visualizes the sealant 5 as a weld, which before
  • Arc welding can be applied.
  • FIG. 3 shows a modification of the embodiment according to FIG. 1, in which a metal foil or a sheet metal 5b that is thinner compared to the joining partners 1 and 2 is used as the sealing means on the top side 5b. This is glued on or welded in an overlap. A weld seam is again used as sealing means 5a on the underside and on the front side.
  • Figure 4 visualizes this
  • FIG. 5 shows an application of the method for the circumferential welding of butted pipes as joining partners 1 and 2.
  • a starting area 4 on the top remains without sealant, so that here too the space between the joining partners 1 and 2 can be evacuated through the starting area.
  • Laser welding with the laser beam 8 takes place starting from the starting area
  • FIG. 6 shows a vacuum chamber 6 further developed according to the invention in a sectional partial view with a basic construction.
  • Vacuum chamber 6 has side walls 6a or, in e.g.
  • a coupling area not shown here e.g. with a glass window, which can be connected to the chamber 6 via the seal 6d and the screw holes 6e, to guide the laser beam 8 through the chamber 6 to the surface of the joint partner.
  • the side wall 6a here has a sleeve-shaped passage 10 for a welding wire 11, which has a seal 13 in the screw connection 12
  • the seal 13 can be replaced and / or axially squeezed for readjustment in the event of wear.
  • the bushing 10 is preferably mounted in a receptacle 14 so as to be displaceable in its axial direction.
  • the passage 10 can be changed at a pivot point in the wall 6a or by using different receptacles 14 at an angle to the laser beam 8.
  • the welding wire 11 can be connected to the melt zone of the vacuum-tight
  • a welding wire 11 can also be used for the supply of a welding filler using a mobile vacuum chamber 6.
  • joint gaps can be filled that are larger than a technical zero gap.
  • FIG. 7 shows that no additional material is required for a technical zero gap.
  • the invention preferably provides that a filler wire 11 is supplied and, for example, a circular oscillation of the beam 8 is used.
  • the distance between the point of impact of the wire 11 and the center of the e.g.
  • circular beam oscillation figure is preferably adapted so that not a larger part of the wire 11 is conveyed into the laser beam 8, but in particular so that the wire 11 is conveyed in equal parts into the melt pool and the beam 8.
  • Beam oscillation figure set This means that the orientation of the beam and wire impact point always remains the same relative to one another. About half of the wire 11 is conveyed into the beam 8 and the other half into the weld pool.
  • FIG. 8 shows the weld seam 15 produced with the laser beam 8, which is intended to penetrate into the root weld 5 without penetrating it.
  • the temperature at the arc root weld 5 can vary from that of the laser beam optics or the
  • the side opposite the vacuum chamber 6 can be measured, for example, with a quotient pyrometer 16 and assigned to a value of the welding depth.
  • the welding depth of the beam welding can thus be regulated so that welding through the arc-welded root 5 is prevented.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laser-Verschweißen von zwei Fügepartnern (1,2) entlang eines zwischen diesen angeordneten Fügespaltes (3), wobei zum Schweißen ein Laserstrahl (8) den Fügespalt (3) durch eine mobile Unterdruckkammer (6) hindurch beleuchtet, insbesondere über die gesamte Tiefe des Fügespaltes (3), die auf den Fügepartnern (1,2) entlang des Fügespaltes (3) bewegt wird und in der ein lokaler Unterdrück erzeugt wird, bei dem vor dem Beginn der Verschweißung in allen Oberflächenbereichen (1a, 2a, 1b, 2b, 1c, 2c) der Fügepartner (1,2), in denen der Fügespalt (3) zur Umgebung offen ist, bis auf einen Startbereich (4), der Fügespalt (3) verschlossen wird, und der nicht verschlossene Startbereich (4) des Fügespaltes (3) vollständig von der mobilen Unterdruckkammer (6) überdeckt wird, und die Unterdruckkammer (6) unter Unterdrück gesetzt wird und mit der Unterdruckkammer (6) durch den nicht verschlossenen Startbereich (4) des Fügespaltes (3) hierdurch der gesamte zwischen den Fügepartnern (1,2) im nach außen gedichteten Fügespalt (3) gebildete abgeschlossene Raum durch die Unterdruckkammer (6) evakuiert wird, insbesondere ohne dass Umgebungsluft von außen durch den Fügespalt (3) hindurch in die Unterdruckammer (6) gelangt, und ausgehend vom Startbereich (4) mit dem Laser (8) der Fügespalt (3) unter lokaler Zerstörung des zuvor erstellten Verschlusses verschweißt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine mobile Unterdruckkammer (6), bei der in der Kammerwandung (6a) eine unterdruckdichte Durchführung (10) für einen Schweißdraht (11) angeordnet ist.

Description

Verfahren zum Laser-Verschweißen mit einer mobilen Unterdruckkammer und Unterdruckkammer dafür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laser-Verschweißen von zwei
Fügepartnern entlang eines zwischen diesen angeordneten Fügespaltes, wobei zum Schweißen ein Laserstrahl den Fügespalt durch eine mobile
Unterdruckkammer hindurch beleuchtet, insbesondere über die gesamte Tiefe des Fügespaltes, die auf den Fügepartnern entlang des Fügespaltes bewegt wird und in der ein lokaler Unterdrück erzeugt wird. Die Erfindung betrifft auch eine mobile Unterdruckkammer umfassend ein Kammergehäuse mit einem
Unterdruckanschluß, das in Richtung zur Oberfläche der Fügepartner eine
Öffnung aufweist, deren Öffnungsrand gedichtet auf die Fügepartneroberfläche auflegbar ist und die einen der Öffnung gegenüberliegenden Einkopplungsbereich für einen Laserstrahl aufweist.
Verfahren und Unterdruckkammern dieser Art sind im Stand der Technik bekannt und werden eingesetzt um unter Unterdruckbedingungen Verschweißungen von Fügepartner vorzunehmen. Dabei wird in der Unterdruckkammer ein Unterdrück gegenüber der von der Unterdruckkammer nicht überdeckten Umgebung erzeugt, so dass in der Unterdruckkammer die Verschweißung unter den
Unterdruckbedingungen vorgenommen werden kann.
Mit dieser Methode können somit auch sehr große Bauteile, die nicht komplett in eine Unterdruckkammer passen, unter der Wirkung des Unterdruckes am Schweißort verschweißt werden, da der lokale Ort der Unterdruckerzeugung mit dem Schweißfortschritt entlang des Fügespaltes weiterbewegt wird.
Das Schweißen unter einer Unterdruckkammer hat den Vorteil, das zum einen eine Oxidation der Fügepartner vermieden wird oder zumindest reduziert wird und dass sich ein kleineres Schmelzebad um den Laserstrahl ausbildet. Weiterhin kann durch den Unterdrück eine höhere Einschweißtiefe im Vergleich zum
Atmosphärendruck erzielt werden.
Problematisch ist es beim Verschweißen von Fügepartnern mit großer Dicke durch dieses Schweißverfahren, insbesondere bei Fügepartnern von mehr als 10 mm Dicke, dass die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Fügepartner, zwischen denen der Fügespalt ausgebildet wird, gemäß des bisherigen Standes der Technik genauestens geschliffen werden müssen, damit die Fügepartner mit einem sogenannten technischen Nullspalt als Fügespalt aneinanderliegen.
Ein technischer Nullspalt ist hier bislang Voraussetzung, da bisher keine
Schweißzusatzstoffe in die Unterdruckkammer eingebracht werden können und nur unter dieser Nullspalt-Bedingung ohne Schweißzusatzstoffe eine kerbfreie Verbindung ohne Nahteinfall zwischen den Fügepartnern erzielbar ist.
Des Weiteren kann nur unter der Bedingung eines technischen Nullspaltes genügend gut verhindert werden, dass Umgebungsluft durch den Fügespalt hindurch in die Bereiche unter der Unterdruckkammer gesogen wird. Nur mit einem technischen Nullspalt kann somit ein genügend kleiner Unterdrück erzeugt werden, da die Kante der Öffnung der Unterdruckkammer nur auf der Oberfläche der Fügepartner gedichtet aufgelegt werden kann.
Unter einem technischen Nullspalt wird dabei ein Fügespalt zwischen den
Fügepartnern kleiner als 25 Mikrometer verstanden. Ersichtlich ist die Einhaltung einer solchen Bedingung besonders bei großen Dicken der Fügepartner schwer vorzunehmen, insbesondere aufgrund der unter Fertigungsbedingungen auftretenden Toleranzen. Das Verfahren des Schweißens unter einer Unterdruckkammer setzt somit bislang eine sehr präzise Vorbehandlung der Fügepartner voraus und hat sich daher beim Schweißen von Fügepartner mit vergleichsweise großer Dicke, insbesondere größer als 10 mm Dicke bisher nicht durchgesetzt.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Laser-Schweißen von Fügepartnern mit einer mobilen Unterdruckkammer, sowie eine dafür geeignete Unterdruckkammer bereitzustellen, welche die vorgenannten Nachteile
überwindet, insbesondere mit denen auch vergleichsweise dicke Fügepartner ohne aufwändige Vorbereitungsmaßnahmen an den Fügepartnern verschweißt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass vor dem Beginn der Verschweißung in allen Oberflächenbereichen der Fügepartner, in denen der Fügespalt zur Umgebung offen ist, bis auf einen Startbereich, der Fügespalt verschlossen wird und der nicht verschlossene Startbereich des Fügespaltes vollständig von der mobilen Unterdruckkammer überdeckt wird und die
Unterdruckkammer unter Unterdrück gesetzt wird und mit der Unterdruckkammer durch den nicht verschlossenen Startbereich des Fügespaltes hierdurch der gesamte zwischen den Fügepartnern im nach außen gedichteten Fügespalt gebildete abgeschlossene Raum durch die Unterdruckkammer evakuiert wird und ausgehend vom Startbereich mit dem Laser der Fügespalt unter lokaler
Zerstörung des zuvor erstellten Verschlusses verschweißt wird.
Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung liegt darin, dass mit dem
Verschließen des Fügespaltes bis auf den genannten Startbereich am Fügespalt nur noch am Startbereich eine Verbindung zwischen der Umgebung und dem inneren Raum im verschlossenen Fügespalt vorliegt. Dieser gesamte hiernach geschlossene Raumbereich zwischen den Fügepartnern kann erfindungsgemäß durch den Unterdrück in der Unterdruckkammer evakuiert werden, ohne dass Umgebungsluft von außen durch den Fügespalt hindurch in die Unterdruckammer gelangt. Bevorzugt herrscht somit in diesem Raumbereich des Fügespaltes ein Unterdrück, der dem Druck direkt unter der Unterdruckkammer entspricht. Da durch die Abdichtung kein Leckage-Luftstrom mehr aus der Umgebung durch den Fügespalt in die Schmelzbadzone gelangen kann, wird diese somit auch nicht negativ durch die Umgebungsluft beeinträchtigt.
Bevorzugt wird der Fügespalt somit insgesamt, d.h. über seine gesamte
Erstreckung zwischen den Fügepartnern unter Unterdrück gesetzt und nicht nur wie beim Stand der Technik an der Stelle, wo die Unterdruckkammer den
Fügespalt überdeckt. Insbesondere kann daher beim Schweißen am Ort der Unterdruckkammer auch keine oder nur wenig zwischen den Fügepartnern im Fügespalt verbliebene Umgebungsluft aus dem an die Schweißzone
angrenzenden Bereich des Fügespalts in die Schweißzone nachströmen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich somit keine zwingende
Notwendigkeit mehr, die Fügepartner für die Ausbildung eines technischen
Nullspaltes vorzubereiten, wenngleich dies mit der Erfindung ebenso möglich ist.
Mit der Erfindung kann somit also auch unter der Nullspalt-Bedingung ein
Verschweißen der Fügepartner erfolgen und erfindungsgemäß selbst der durch den Nullspalt geringe Leckageluftstrom verhindert werden.
Bevorzugt ist es jedoch, dass gemäß der Erfindung der Fügespalt zwischen den Fügepartnern gebildet wird durch Aneinanderlegen der Fügepartner, wobei der Abstand der sich gegenüberliegenden Fügepartner außerhalb der Toleranzen eines technischen Nullspaltes liegt, insbesondere die Fügepartner im I-Stoß mit nicht geschliffenen Kanten zueinander angeordnet sind. Somit können gemäß der Erfindung die Vorbereitungsmaßnahmen zur Erzeugung eines technischen
Nullspaltes entfallen.
Insbesondere können somit die Fügepartner mit der Rauheit ihrer den Fügespalt definierenden Flächen zur Bildung eines Fügespaltes aneinandergelegt werden, die durch ein übliches Verfahren zum Schneiden von Material bereitgestellt wird, wie z.B. Wasserstrahlschneiden, Laserstrahlschneiden, Plasmaschneiden, Sägen, Brennen etc. Besonders bevorzugt können so mit zum Stand der Technik deutlich verringertem Aufwand Fügepartner mit einer Dicke größer als 10 mm, bevorzugt größer als 20 mm, weiter bevorzugt größer als 30 mm, weiter bevorzugt größer als 40 mm, weiter bevorzugt größer als 50 mm, weiter bevorzugt größer als 60mm, noch weiter bevorzugt größer als 70 mm, noch mehr bevorzugt größer als 80 mm, vorzugsweise größer als 90mm und weiter bevorzugt größer als 100mm oder noch mehr miteinander verschweißt werden. Weiter bevorzugt kann dies in einem einzigen Schweißdurchgang erfolgen.
Die Erfindung kann vorsehen, dass zum Verschließen des Fügespaltes zumindest auf die wurzelseitige Oberfläche der Fügepartner und die oberseitige Oberfläche der Fügepartner wenigstens ein den Fügespalt überbrückendes Dichtmittel appliziert wird. Z.B. bei Umfangsverschweißungen von gestoßenen Rohren ist dies ausreichend, da der Fügespalt nur auf der wurzelseitigen Oberfläche und der oberseitigen Oberfläche der Fügepartner zur Umgebung hin offen ist.
Bei gestoßenen Fügepartnern, bei denen der Fügespalt am Fügespaltanfang und - ende ebenfalls in den stirnseitigen Oberflächen offen ist, sieht die Erfindung vor, auch an diesen stirnseitigen Oberflächen den Fügespalt zu schließen. Dafür können z.B. vor und/oder nach dem Fügespalt angeordnete Einlauf- und/oder Auslaufbleche verwendet werden, die gedichtet stirnseitig an den Fügepartnern befestigt werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, die wurzelseitige Oberfläche zuerst zu verschließen und hiernach die oberseitige Oberfläche, sowie ggfs die Stirnseiten. Die
oberseitige Oberfläche liegt dabei der wurzelseitigen Oberfläche gegenüber und ist durch die Oberfläche gegeben, von der aus der Laserstrahl auf die Fügepartner trifft.
Erfindungsgemäß wird bewirkt, dass der Verschluß des Fügespaltes gegenüber der Umgebung während des Schweißprozesses unter der Unterdruckkammer ausgehend von dem nicht verschlossenen Startbereich lokal zerstört wird. Es können daher für das bevorzugt gasdichte Verschließen jegliche Maßnahmen und Dichtmittel eingesetzt werden, um den Verschluß zu bewirken, da das zum
Verschließen eingesetzte Dichtmittel unter der Wirkung des Lasers auch verdampfen und durch den Unterdruckanschluß in der Unterdruckkammer aus dieser herausgeführt werden kann. Bevorzugt ist das Dichtmittel zum
Verschließen des Fügespaltes so gewählt, dass es auch Teil der Schweißnaht werden kann.
So sieht eine besonders bevorzugte Vorgehensweise vor, dass das wenigstens eine Dichtmittel durch eine Schweißnaht ausgebildet wird, die spaltüberbrückend auf den Fügepartner-Oberf lachen angeordnet wird. Eine solche Schweißnaht kann z.B. mittels einer Lichtbogenverschweißung durchgeführt werden.
Sofern die Fügepartner mit technischem Nullspalt angeordnet sind, kann die Lichtbogenverschweißung z.B. ohne Schweißzusatzstoff erfolgen, also nur durch die Wirkung des reinen Lichtbogens eine Oberflächenaufschmelzung erzeugt werden, die den Nullspalt schließt. Bei einer Anordnung ohne technischen
Nullspalt, was gerade den Vorteil des Verfahrens ausmacht, kann das
Lichtbogenverschweißen auch unter Zuführung eines Schweißzusatzes
durchgeführt werden. Der Schweißzusatzstoff kann bevorzugt durch eine solche Metall-Legierung gebildet werden, die in der späteren Schweißnaht verbleiben kann, die unter der Unterdruckkammer erzeugt wird. Insbesondere kann es derselbe Zusatzstoff sein, der auch bei einer möglichen Zuführung unter die Unterdruckkammer verwendet wird.
Alternativ kann die Erfindung vorsehen, zum Verschließen des Fügespaltes einen Metall-Blechstreifen oder eine Metallfolie spaltüberbrückend auf den Fügepartner- Oberf lächen anzuordnen, insbesondere mit den Oberflächen zu verkleben oder zu verlöten oder zu verschweißen.
Weiter alternativ kann auch ein Klebeband spaltüberbrückend auf den
Fügepartner-Oberflächen angeordnet, insbesondere aufgeklebt werden. Einzige Voraussetzung für das Klebeband ist dessen genügende Gasdichtheit. Z.B, kann diese durch eine gasdichte Kaschierung des Klebebandes gegeben sein, z.B. durch eine Metallkaschierung oder Kunststofffolienkaschierung.
Das Anbringen des Dichtmittels kann in der Umfangsrichtung des Fügespaltes über die nebeneinanderliegenden Oberflächen der Fügepartner hinweg erfolgen, z.B. startend vom Ende des benannten Startbereiches bis zu dessen Anfang oder umgekehrt. Dabei kann das Dichtmittel am Anfang und Ende des Fügespaltes auch über die stirnseitigen Oberflächen herüber gelegt werden.
Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass vor dem Verschließen des
Fügespaltes die Fügepartner zur Lagestabilisierung aneinandergeheftet werden, insbesondere durch lokales Verschweißen.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass vor oder während des Verschließens des Fügespaltes entlang des Fügespaltes Geometrieparameter des Fügespaltes an einer Vielzahl von Fügespaltpositionen messtechnisch erfasst und gespeichert werden, wobei bei der Verschweißung des Fügespaltes unter der mobilen Unterdruckkammer die Schweißparameter geändert werden in Abhängigkeit der aktuellen Fügespaltposition am Schweißort und der für diese Fügespaltposition gespeicherten Geometrieparameter.
Geometrieparameter können z.B. die Spaltbreite und/oder der Kantenversatz sein. Die Geometrieparameter können entlang des Fügespaltes für diskrete
Koordinaten oder auch kontinuierlich erfasst werden. Zur Erfassung kann z.B. ein Lichtschnittsensor eingesetzt werden, bevorzugt bei dem eine projizierte den Fügespalt überkreuzende Laserlinie optisch erfasst wird, wie beispielsweise mit einer Kamera, wobei aus dem optisch erfassten Linienverlauf auf die gewünschten Geometrieparameter rückgerechnet wird. Ebenso können andere Sensoren eingesetzt werden, z.B. Wirbelstromsensoren, mit denen aus Unterschieden im elektromagnetischen Feld beidseits des Fügespaltes auf Geometrieparameter geschlossen wird.
Als Schweißparameter kann z.B. die seitliche Führung des Laserstrahles korrigiert werden, die Laserstrahlintensität geändert werden, die Schweißgeschwindigkeit variiert werden und insbesondere die Parameter einer Strahloszillation (z.B.
Frequenz und/oder Amplitude) sowie die Vorschubgeschwindigkeit und die Position des Auftreffpunkts des Schweißzusatzdrahtes, insbesondere wenn ein solcher zum Auffüllen des Spaltes erforderlich ist. Die vorgenannten
Schweißparameter können alternativ und auch in beliebiger Kumulation geändert werden.
Bevorzugt sieht es die Erfindung vor, dass die messtechnische Erfassung während des Verschließens des Fügespaltes mittels einer
Lichtbogenverschweißung erfolgt durch eine dem Lichtbogen voreilende messtechnische Erfassung des Fügespaltes, bevorzugt durch eine mit dem Brennerkopf mitbewegte Sensorik, bevorzugt eines Lichtschnittsensors oder einer Kamera. So kann mit einem einzigen Verfahrensschritt das Verschließen und das Speichern der Geometrieparameter erfolgen.
Die Besonderheit dieser Vorgehensweise beinhaltet, dass sich der Fügespalt durch das Verschweißen mit dem Lichtbogen verändert und diese Veränderung bei der Parametrierung des nachfolgenden Strahlschweißprozesses in der mobilen Unterdruckkammer vorzugsweise in Betracht gezogen wird. Der
Anpassung der Schweißparameter geht demnach, im Gegensatz zu den üblichen auf geometrischen Parametern variierenden Schweißparametern, eine virtuelle Veränderung der Spaltgeometrie voraus.
Wie eingangs erwähnt, kann mit der Erfindung auch unter der Nullspalt-Bedingung das Schweißen der Fügepartner erfolgen. Es ist jedoch ein Vorteil der Erfindung, dass eine solche Bedingung keine Voraussetzung für die Erfindung ist. Das Evakuieren des gesamten Raumes im Fügespaltbereich zwischen den
Fügepartner erschließt die Möglichkeit, dass die Fügepartner auch mit einem Fügespalt aneinander liegen können, der nicht die Bedingungen an einen technischen Nullspalt erfüllt, insbesondere also der Fügespalt breiter als 25 Mikrometer ist. Praktisch gesehen ermöglich sogar ein solcher Fügespalt ein besseres Evakuieren des Raumbereiches zwischen den Fügepartner wegen der besseren Strömungsverhältnisse. Die Erfindung kann vorsehen, den Fügespalt größer als 25 Mikrometer, weiter bevorzugt größer als 100 Mikrometer, weiter bevorzugt größer als 1000 Mikrometer, weiter bevorzugt größer als 2500
Mikrometer, noch weiter bevorzugt größer als 5000 Mikrometer einzustellen.
Die Erfindung kann bei allen möglichen Ausführungen, insbesondere bei einem Fügespalt größer als ein technischer Nullspalt vorsehen, dass der Laser taumelnd/pendelnd oder kreisend über den Fügespalt beim Schweißen geführt wird, insbesondere also immer wieder den Fügespalt kreuzend.
Die Erfindung kann bevorzugt vorsehen, bei Fügespaltbreiten kleiner gleich 500 Mikrometer / 0,5 mm die Verschweißung ohne Zusatzwerkstoff vorzunehmen. Über 500 Mikrometer bzw. 0,5 mm Fügespalt wird bevorzugt mit einem
Zusatzwerkstoff verschweißt, der durch einen Schweißdraht zugeführt werden kann.
Die Erfindung kann unabhängig von der Fügespaltbreite, insbesondere also auch, wenn der verschlossene Fügespalt grundsätzlich ohne Schweißzusatzwerkstoff verschweißt wird, vorsehen, dass zumindest in dem unverschlossenen
Startbereich ggfs auch ausschließlich nur dort, zum Verschweißen ein
Zusatzwerkstoff, insbesondere also ein Schweißdraht zum Verschweißen des unverschlossenen Fügespaltes zugeführt wird. Die Erfindung kann nun in einer bevorzugten Weiterbildung vorsehen, dass durch eine unterdruckdichte
Durchführung in der Wandung der mobilen Unterdruckkammer ein Schweißdraht in die Schmelzbadzone des Laserstrahls und/oder in den Laserstrahl zugeführt wird. So kann mit der Erfindung auch ein Schweißzusatzstoff des Schweißdrahts in der Schmelzezone verwendet werden.
Die Erfindung kann dafür vorsehen, dass in der Kammerwandung der mobilen Unterdruckkammer eine unterdruckdichte Durchführung für einen Schweißdraht angeordnet ist. Eine solche Durchführung kann z.B. eine Führungshülse aufweisen, mit welcher ein Schweißdraht auf einer Linie führbar ist, welche die optische Achse des Laserstrahles schneidet, bevorzugt in oder unter der
Öffnungsebene / Fügepartneroberfläche. Durch das Nachführen des Schweißdrahtes kann es zu einer Abnutzung der Dichtung in der Durchführung kommen, so dass die Erfindung bevorzugt vorsehen kann, die Dichtung als eine auswechselbare, mit dem Schweißdraht
durchstechbare und / oder im Durchgangsdurchmesser nachstellbare Dichtung auszubilden. Vorzugsweise wird unter einer durchstechbaren Dichtung
verstanden, dass diese vor dem Durchstechen mit dem Schweißdraht vollständig geschlossen ist und durch das Durchstechen mit den Schweißdraht der für den Schweißdraht benötigte Durchgang in der Dichtung erstellt wird.
Um den Abnutzungszustand der Dichtung in der Durchführung für den
Schweißdraht während des Schweißens zu überwachen, kann es die Erfindung weiter vorsehen, dass der Unterdrück in der mobilen Unterdruckkammer messtechnisch erfasst wird, z.B. hiernach verglichen wird mit einem gespeicherten Grenzwert, der nicht überschritten werden darf. Dies kann in einer Kontrolleinheit erfolgen, z.B. derjenigen, mit der auch Geometrie- und/oder Schweißparameter verarbeitet werden.
Die Erfindung kann es bevorzugt vorsehen, dass die Schweißparameter in Abhängigkeit des Fügespaltes angepasst werden. Zu den Schweißparametern gehören vorzugsweise die Schweißgeschwindigkeit und/oder die Strahlleistung und/oder die Pendelamplitude und/oder -frequenz und/oder der Auftreffpunkt des Schweißdrahtes relativ zum Strahl. Dieser wird vorzugsweise so gewählt, dass etwa die Hälfte des Drahtes in das Schmelzbad eintaucht, während die andere Hälfte des Drahtes direkt in den Laserstrahl gefördert wird.
Bei einem technischen Nullspalt wird vorzugsweise kein Zusatzwerkstoff benötigt. Bei einer Spaltweite von 0,5 mm oder mehr kann es vorzugsweise vorgesehen werden einen Schweißzusatzdraht zuzuführen, insbesondere dann eine
Oszillation, vorzugsweise kreisförmige Oszillation des Strahls anzuwenden. Der Abstand zwischen dem Auftreffpunkt des Drahtes und dem Mittelpunkt der (vorzugsweise kreisförmigen) Strahloszillationsfigur kann nun vorzugsweise angepasst werden, damit nicht ein größerer Teil des Drahtes in den Laserstrahl gefördert wird. Es kann vorgesehen sein, bei einer Erhöhung der Amplitude der Strahloszillation einen Offset zwischen dem Draht und dem Mittelpunkt der (vorzugsweise kreisförmigen) Strahloszillationsfigur zu erhöhen. Damit bleibt die Orientierung von Strahl- und Drahtauftreffpunkt relativ zueinander immer gleich. Vorzugsweise erfolgt die Anpassung so, dass jeweils zumindest im wesentlichen die Hälfte des Drahtes in den Strahl und die andere Hälfte in das Schmelzbad gefördert wird.
In bevorzugter Ausführungsform kann es die Erfindung vorsehen, dass die
Eindringtiefe des Laserstrahls am Ort des Fügespaltes in die beiden Fügepartner geregelt wird in Abhängigkeit der kontaktlos, insbesondere mit einem
Quotientenpyrometer, auf der von der Unterdruckkammer abgewandten Seite der Fügepartner am verschlossenen Fügespalt gemessenen Temperatur. Diese von der Unterdruckkammer abgewandte Seite bildet, sofern dort der Fügespalt mit einer Schweißung dicht verschlossen wurde, die Wurzelschweißung der mit dem Laserstrahl durchzuführenden Strahlschweißnaht.
Die Erfindung kann es dann vorzugsweise vorsehen, dass die mittels der mobilen Unterdruckkammer erzeugte Strahlschweißnaht bis in die Wurzelschweißung, bevorzugt durch eine Lichtbogenschweißung erzeugte Wurzelschweißung vordringt, insbesondere ohne diese zu durchdringen. Die Strahlverschweißung erfolgt vorzugsweise so, dass zwischen dem untersten Punkt der
Strahlschweißnaht und der vorzugsweise lichtbogengeschweißten Wurzel (dem verschlossenen Fügespalt) ein Abstand verbleibt, vorzugsweise von 1 -2 mm, durch den die Temperatur an der Wurzelseite bzw. am verschlossenen Fügespalt in einem meßtechnisch kontaktlos erfassbaren Messbereich liegt, insbesondere in einem Bereich von 500-1000 °C. Dieser Temperaturbereich stellt weiterhin sicher, dass die Wurzel bzw. der verschlossenen Fügespalt nicht außenseitig in Richtung zur Umgebung aufschmilzt und hierdurch der Unterdrück gebrochen wird.
Die Temperatur am verschlossenen Fügespalt, bzw. an der Wurzelschweißung kann von der der Laserstrahloptik / der Unterdruckkammer gegenüberliegenden Seite kontaktlos gemessen werden, z.B. mit einem Pyrometer, vorzugsweise einem Quotientenpyrometer gemessen werden und der Temperaturmesswert einem Wert der Einschweißtiefe zugeordnet werden. Damit lässt sich die
Einschweißtiefe der Strahlschweißung aktiv regeln, insbesondere dadurch, dass an der Wurzel eine vorgegebene Solltemperatur eingeregelt wird, sodass eine Durchschweißung der vorzugsweise Lichtbogen-geschweißten Wurzel verhindert wird und die Aufschmelzung des Fügespaltes über dessen gesamte Tiefe erreicht werden kann.
Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
Figur 1 zeigt die Anwendung des Verfahrens beim Schweißen zweier planer Blechstreifen als Fügepartner 1 und 2. Zwischen diesen ist ein Fügespalt 3 angeordnet, insbesondere der größer ist, als es die Bedingungen für einen technischen Nullspalt erfordern würden.
Die Erfindung sieht nun vor, den Fügespalt 3, bis auf einen Startbereich 4, an allen Oberflächenbereichen der sich gegenüberliegenden Fügepartner 1 und 2, in denen der Fügespalt 3 zur äußeren Umgebung hin offen ist, zu verschließen, insbesondere gasdicht abzudichten. Dieses Vorgehen gilt für alle Ausführungen, unabhängig von der hier gezeigten Variante.
Dies erfolgt mit einem in der Figur 1 gestrichelt gezeichneten Dichtmittel 5, dass spaltüberbrückend auf die unterseitigen / wurzelseitigen Oberflächen 1 a/2a, die oberseitige Oberflächen 1 b, 2b und hier auch auf die stirnseitigen Oberflächen 1 c/2c der Fügepartner 1 und 2 appliziert wird. Im Startbereich 4 wird kein
Dichtmittel 5 appliziert, so dass dieser Startbereich zur Umgebung hin offen ist, solange wie die mobile Unterdruckkammer 6 noch nicht über den Startbereich 4 gesetzt wurde.
Stirnseitig ist an die Fügepartner 1 und 2 am Anfangsbereich des Fügespaltes 3 und am Endbereich ein Einlaufblech 7a bzw. Auslaufblech 7b für den Laserstrahl 8 vorgesehen. Mit diesem Blechen 7a, 7b ist in dieser Anwendung keine Abdichtung des Fügespaltes 3 im Stirnbereich 1 c/2c der Fügepartner 1 und 2 erfolgt, dies kann jedoch alternativ ebenso möglich sein. Figur 2 zeigt die Situation im Schnitt senkrecht durch die
Längserstreckungsrichtung des Fügespaltes 3. Erkennbar ist es, dass zwischen den Fügepartnern 1 und 2, somit also im Abstandsbereich des Spaltes 3 ein Raum gebildet ist, der nach außen durch das Dichtmittel 5 abgedichtet ist. Der Raum ist aber durch den Startbereich 4, der in der Figur 2 nicht erkennbar ist offen und kann somit evakuiert werden.
Das Evakuieren dieses Raumes erfolgt dadurch, dass die Unterdruckkammer 6 gedichtet auf die oberseitige Oberfläche 1 b und 2b bzw. hier auch des
Einlaufbleches 7a so aufgesetzt wird, dass die Unterdruckkammer den offenen Startbereich vollständig überdeckt. Durch Abpumpen der Luft aus der
Unterdruckkammer 6 über den Unterdruckanschluß 6a wird somit auch die Luft aus dem Raum im Spaltbereich 3 abgepumpt. Insbesondere herrschen im abgedichteten Spalt 3 und unter der Unterdruckkammer 6 dieselben
Durckverhältnisse.
Durch Bewegen der Unterdruckkammer 6 entlang des Fügespaltes 3 wird dieser verschweißt, wobei außerhalb des Startbereiches 4 dabei das Dichtmittel 5 lokal wieder zerstört wird. Es wird entweder verdampft und abgepumpt oder wird zum Teil der Schweißnaht.
Die Figur 2 visualisiert das Dichtmittel 5 als Schweißnaht, die vor dem
Verschweißen mit der mobilen Unterdruckkammer 6 mittels einer
Lichtbogenverschweißung appliziert sein kann.
Die Figur 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführung gemäß Figur 1 , bei welcher als oberseitiges Dichtmittel 5b eine Metallfolie bzw. ein im Vergleich zum Fügepartner 1 und 2 dünneres Blech 5b als Dichtmittel eingesetzt wird. Dieses wird aufgeklebt oder im Überlapp geschweißt. Unterseitig und stirnseitig ist als Dichtmittel 5a wiederum eine Schweißnaht eingesetzt. Die Figur 4 visualisiert diese
verschiedenen Dichtmittel 5a, 5b. Ansonsten ist die Ausführung der Figur 3 und 4 identisch zu den Figuren 1 und 2. Die Figur 5 zeigt eine Anwendung des Verfahrens beim Umfangsverschweißen gestoßener Rohre als Fügepartner 1 und 2.
Der Unterschied ist im Wesentlichen nur, dass die Fügepartner 1 und 2
gekrümmte Oberflächen haben, was vom Dichtkantenverlauf der Öffnung an der Unterdruckkammer 6 nachgebildet wird. Weiterhin gibt es beim
Umfangsverschweißen von Rohren nur eine wurzelseitige und oberseitige
Oberfläche der Fügepartner 1 und 2, aber keine Stirnseiten der Fügepartner an denen der Fügespalt 3 zu Umgebung hin offen ist. Es werden in dieser
Ausführung somit nur die wurzelseitigen Oberflächen 1 a, 2a und die oberseitigen Oberflächen 1 b, 2b der Fügepartner 1 und 2 mit einer spaltüberbrückenden Dichtmittel 5 versehen, hier bevorzugt wieder mit einer Schweißnaht 5.
Ein oberseitiger Startbereich 4 verbleibt ohne Dichtmittel, so dass auch hier durch den Startbereich der Raum zwischen den Fügepartnern 1 und 2 evakuiert werden kann. Vom Startbereich ausgehend erfolgt das Laser-Verschweißen mit dem Laserstrahl 8
Die Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäß weitergebildete Unterdruckkammer 6 in einer geschnittenen Teilansicht in prinzipieller Konstruktion. Die
Unterdruckkammer 6 weist seitliche Wandungen 6a auf oder bei z.B.
kreiszylindrischer Ausgestaltung eine zylindrische Wandung 6a auf. Unterseitig gibt es eine Öffnung 6b, die mit dem Öffnungsrand 6c gedichtet auf die Oberfläche der Fügepartner aufgelegt werden kann. Oberseitig dient ein hier nicht gezeigter Einkopplungsbereich, z.B. mit einem Glasfenster, der über die Dichtung 6d und die Schraubenbohrungen 6e mit der Kammer 6 verbunden werden kann, dazu den Laserstrahl 8 durch die Kammer 6 hindurch zur Fügepartneroberfläche zu führen.
Die seitliche Wandung 6a weist hier eine hülsenförmige Durchführung 10 auf für einen Schweißdraht 11 , der in der Verschraubung 12 eine Dichtung 13
durchsticht. In der Verschraubung ist die Dichtung 13 auswechselbar und/oder axial quetschbar zur Nachstellung bei Verschleiß. Bevorzugt ist die Durchführung 10 in ihrer axialen Richtung in einer Aufnahme 14 verschieblich gelagert. Weiter bevorzugt kann die Durchführung 10 m einen Schwenkpunkt in der Wandung 6a oder durch Verwendung verschiedener Aufnahmen 14 im Winkel zum Laserstrahl 8 verändert werden.
Der Schweißdraht 11 kann so unterdruckdicht an die Schmelzezone des
Laserstrahles 8 herangeführt werden. So kann mit der Erfindung auch unter Verwendung einer mobilen Unterdruckkammer 6 ein Schweißdraht 11 für die Zuführung eines Schweißzusatzes genutzt werden. Insbesondere können so Fügespalte gefüllt werden, die größer sind als ein technischer Nullspalt.
Die Figur 7 zeigt, dass bei einem technischen Nullspalt kein Zusatzwerkstoff benötigt wird. Ab einer Weite des Spaltes 3 von 0,5 mm hingegen sieht es die Erfindung vorzugsweise vor, dass ein Schweißzusatzdraht 11 zugeführt und bspw. eine kreisförmige Oszillation des Strahls 8 angewendet wird. Der Abstand zwischen dem Auftreffpunkt des Drahtes 11 und dem Mittelpunkt der (bspw.
kreisförmigen) Strahloszillationsfigur wird vorzugsweise so angepasst, dass nicht ein größerer Teil des Drahtes 11 in den Laserstrahl 8 gefördert wird, sondern insbesondere so, dass der Draht 11 zu gleichen Teilen in das Schmelzebad und den Strahl 8 gefördert wird.
Wird die Amplitude der Strahloszillation erhöht, so wird ein größerer Offset zwischen dem Draht 8 und dem Mittelpunkt der (kreisförmigen)
Strahloszillationsfigur eingestellt. Damit bleibt die Orientierung von Strahl- und Drahtauftreffpunkt relativ zueinander immer gleich. Es wird jeweils etwa die Hälfte des Drahtes 11 in den Strahl 8 und die andere Hälfte in das Schmelzbad gefördert.
Die Figur 8 zeigt die mit dem Laserstrahl 8 erzeugte Schweißnaht 15, die bis in die Wurzelschweißung 5 Vordringen soll, ohne diese zu durchdringen. Zwischen dem untersten Punkt der Strahlschweißnaht 15 und der Lichtbogengeschweißten Wurzel 5 liegen vorzugsweise nur 1 -2 mm, wodurch die Temperatur an der Wurzelseite ca. 1000 °C beträgt. Die Temperatur an der Lichtbogen- Wurzelschweißung 5 kann von der der Laserstrahloptik bzw. der Unterdruckkammer 6 gegenüberliegenden Seite bspw. mit einem Quotientenpyrometer 16 gemessen und einem Wert der Einschweißtiefe zugeordnet werden. Damit lässt sich die Einschweißtiefe der Strahlschweißung regeln, sodass eine Durchschweißung der Lichtbogengeschweißten Wurzel 5 verhindert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laser-Verschweißen von zwei Fügepartnern (1 , 2) entlang eines zwischen diesen angeordneten Fügespaltes (3), wobei zum Schweißen ein Laserstrahl (8) den Fügespalt (3) durch eine mobile Unterdruckkammer (6) hindurch beleuchtet, insbesondere über die gesamte Tiefe des Fügespaltes (3), die auf den Fügepartnern (1 ,2) entlang des Fügespaltes (3) bewegt wird und in der ein lokaler Unterdrück erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass a. vor dem Beginn der Verschweißung in allen Oberflächenbereichen (1a, 2a, 1 b, 2b, 1 c, 2c) der Fügepartner (1 , 2), in denen der Fügespalt (3) zur Umgebung offen ist, bis auf einen Startbereich (4), der Fügespalt (3) verschlossen wird, und b. der nicht verschlossene Startbereich (4) des Fügespaltes (3) vollständig von der mobilen Unterdruckkammer (6) überdeckt wird, und c. die Unterdruckkammer (6) unter Unterdrück gesetzt wird und mit der Unterdruckkammer (6) durch den nicht verschlossenen Startbereich(4) des Fügespaltes (3) hierdurch der gesamte zwischen den Fügepartnern (1 ,2) im nach außen gedichteten Fügespalt (3) gebildete
abgeschlossene Raum durch die Unterdruckkammer (6) evakuiert wird, insbesondere ohne dass Umgebungsluft von außen durch den Fügespalt (3) hindurch in die Unterdruckammer (6) gelangt, und d. ausgehend vom Startbereich (4) mit dem Laser (8) der Fügespalt (3) unter lokaler Zerstörung des zuvor erstellten Verschlusses verschweißt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum
Verschließen des Fügespaltes (3) auf die wurzelseitige Oberfläche (1 a, 2a) der Fügepartner (1 , 2) und die oberseitige Oberfläche (1 b, 2b) der
Fügepartner (1 , 2), insbesondere sofern vorhanden auch auf die stirnseitigen Oberflächen (1 c, 2c) der Fügepartner (1 , 2) wenigstens ein den Fügespalt (3) überbrückendes Dichtmittel (5) appliziert wird, bevorzugt wobei die
wurzelseitige Oberfläche (1 a, 2a) zuerst verschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als das
wenigstens eine Dichtmittel (5) a. wenigstens eine Schweißnaht (5) spaltüberbrückend auf den
Fügepartner-Oberflächen (1 a, 2a, 1 b, 2b, 1 c, 2c) angeordnet wird, insbesondere mittels einer Lichtbogenverschweißung, bevorzugt unter Zuführung eines Schweißzusatzes, und/oder b. ein Metall-Blechstreifen (5b) oder eine Metallfolie (5b)
spaltüberbrückend auf den Fügepartner-Oberflächen (1a, 2a, 1 b, 2b,
1 c, 2c) angeordnet wird, insbesondere mit den Oberflächen (1 a, 2a, 1 b, 2b, 1 c, 2c) verklebt, verlötet oder verschweißt wird, und/oder c. ein Klebeband (5b) spaltüberbrückend auf den Fügepartner- Oberflächen (1a, 2a, 1 b, 2b, 1 c, 2c) angeordnet, insbesondere aufgeklebt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügespalt (3) zwischen den Fügepartnern (1 , 2) gebildet wird durch Aneinanderlegen der Fügepartner (1 , 2), wobei der Abstand der sich gegenüberliegenden Fügepartner (1 , 2) außerhalb der Toleranzen eines technischen Nullspaltes liegt, insbesondere die Fügepartner (1 , 2) im I-Stoß mit nicht geschliffenen, vorzugsweise Schnittrauheit aufweisenden
Kanten/Stirnflächen (1 c, 2c) zueinander angeordnet sind.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschließen des Fügespaltes (3) die Fügepartner (1 , 2) zur Lagestabilisierung aneinandergeheftet werden, insbesondere durch lokales Verschweißen.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Verschließens des Fügespaltes (3) entlang des Fügespaltes (3) Geometrieparameter des Fügespaltes (3), insbesondere die Spaltbreite und/oder der Kantenversatz, an einer Vielzahl von
Fügespaltpositionen, insbesondere kontinuierlich messtechnisch, bevorzugt mit einem Lichtschnittsensor, erfasst und gespeichert werden, wobei bei der Verschweißung des Fügespaltes (3) unter der mobilen Unterdruckkammer (6) die Schweißparameter geändert werden in Abhängigkeit der aktuellen
Fügespaltposition und der für diese Fügespaltposition gespeicherten
Geometrieparameter.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
messtechnische Erfassung während des Verschließens des Fügespaltes (3) mittels einer Lichtbogenverschweißung erfolgt durch eine dem Lichtbogen voreilende messtechnische Erfassung des Fügespaltes, bevorzugt durch eine mit dem Brennerkopf mitbewegte Sensorik, bevorzugt eines
Lichtschnittsensors.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine unterdruckdichte Durchführung (10) in der Wandung (6a) der mobilen Unterdruckkammer (6) ein Schweißdraht (11 ) in die Schmelzbadzone des Laserstrahls (8) und/oder in den Laserstrahl (8) zugeführt wird, insbesondere zumindest in oder ausschließlich nur in dem nicht
verschlossenen Startbereich (4).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
Abnutzungszustand einer Dichtung (13) in der Durchführung (10) für den Schweißdraht (11 ) während des Schweißens durch messtechnische
Erfassung des Unterdruckes in der mobilen Unterdruckkammer (6) überprüft wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fügepartner (1 , 2) mit einer Dicke größer als 10 mm, bevorzugt größer als 20 mm, weiter bevorzugt größer als 30 mm, weiter bevorzugt größer als 40mm, weiter bevorzugt größer als 50 mm miteinander verschweißt werden, insbesondere in einem einzigen Schweißdurchgang.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des Laserstrahls (8) geregelt wird in Abhängigkeit der kontaktlos, insbesondere mit einem Quotientenpyrometer (16), auf der von der Unterdruckkammer (6) abgewandten Seite der Fügepartner (1 , 2) am verschlossenen Fügespalt (3) gemessenen Temperatur.
12. Mobile Unterdruckkammer (6) umfassend ein Kammergehäuse mit einem
Unterdruckanschluß, das in Richtung zur Oberfläche der Fügepartner eine Öffnung (6b) aufweist, deren Öffnungsrand (6c) gedichtet auf die
Fügepartneroberfläche auflegbar ist und die einen der Öffnung
gegenüberliegenden Einkopplungsbereich für einen Laserstrahl (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammerwandung (6a) eine
unterdruckdichte Durchführung (10) für einen Schweißdraht (11 ) angeordnet ist.
13. Mobile Unterdruckkammer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (10) eine Führungshülse (10a) aufweist, mit welcher ein Schweißdraht (11 ) auf einer Linie führbar ist, welche die optische Achse des Laserstrahles (8) schneidet, bevorzugt in oder unter der Öffnungsebene / Fügepartneroberfläche.
14. Mobile Unterdruckkammer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Durchführung (10) eine auswechselbare, mit dem Schweißdraht (11 ) durchstechbare und / oder im Durchgangsdurchmesser nachstellbare Dichtung (13) umfasst.
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