WO2001007194A1 - Verfahren und vorrichtung zum schweissen mit kompensation des schweissverzugs - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum schweissen mit kompensation des schweissverzugs Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for welding workpieces with the supply of heat by means of or via a welding device, workpieces or workpiece parts being arranged with a gap to one another and welded to one another at this gap, and a relative movement between the workpiece and the welding device being provided
  • the invention further relates to a device for welding with the supply of heat, comprising a welding device which generates the heat required for the welding process, for welding workpieces or workpiece parts arranged with a gap to one another, and means for generating a relative movement between the workpiece and the welding device
  • the gap width may be a maximum of a few hundredths of a millimeter.
  • the required clamping technology is particularly complex in terms of equipment. Cooling, for example, one
  • German patent DE 43 15 605 C2 which also deals with the problem of welding distortion, it is proposed to introduce an evaporation-resistant lubricant, for example graphite, into the welding gap before welding.
  • an evaporation-resistant lubricant for example graphite
  • the invention is therefore based on the object of demonstrating a method and a device of the type mentioned at the outset with which the problems existing due to the heat distortion can be effectively countered.
  • it should be possible to set the gap width in the welding process also during the welding process can
  • an arrangement of the workpieces or workpiece parts with a gap (welding gap) to one another is provided.
  • the values of the gap widths can be very small in the context of the invention and, in the limit case with a frictional arrangement, can also approach zero
  • the additional heat supply is spatially limited at a distance from the welding point. This increases the divisibility of the gap width in the welding process and also ensures that the welding process is not disturbed or hindered by the additional heat supply
  • the additional heat supply is spatially related to a point to be welded in such a way that welding of the workpieces or workpieces takes place temporally after the heating due to the additional heat supply. This means that - considered stationary - the additional heat is first supplied and then under by the additional heat supply of narrow gap width welding of the workpieces or workpieces takes place
  • At least one heat source is used on both sides of the welding gap for the additional supply of heat. This measure makes the setting of the gap width considerably easier
  • the invention offers wide variation possibilities for adaptation to special conditions.
  • the additional heat supply according to the invention can in particular be adapted to the welding parameters of the welding process and / or to the workpieces or workpieces to be welded, in particular to the type of
  • the additionally supplied heat can be generated by any suitable means.
  • the additional heat can be supplied by means of flames or, preferably, by means of laser radiation.
  • the additionally supplied heat can be carried by burners or, preferably, lasers, in particular diode lasers
  • the invention can be used in connection with all welding processes. It can be used in particular when welding thin materials.
  • the advantages associated with the invention are particularly evident in laser welding
  • the additional heat can be supplied with respect to the arrangement of the welding device on the same and / or on the opposite side. If the welding device - for example a laser welding head - is arranged above the workpieces or parts to be welded, the heat sources for additional heat supply can be above and / or below the workpieces or parts are arranged
  • the workpiece material is heated and expands.
  • the welding gap is preferably reduced to the desired width. Good results could be achieved if the material is heated in the area a few centimeters before the welding point advantageously at a distance from the welding point of less than 5 cm, preferably between 0.5 and 3 cm
  • the invention can be used in connection with automated welding processes.
  • the advantages achieved with the invention are particularly great if the additional heat supply is regulated and / or controlled during welding, ie means for regulating or controlling the additional heat supply are present.
  • the welding gap be measured online and set to desired values via a change in power (change in the additional heat generated) - for example by changing the power of two diode lasers used on each side of the welding gap

Abstract

Die Erfindung betrifft das Schweißen von Werkstücken insbesondere entlang einer Schweißnaht. Um unerwünschte und nachteilige Folgen des beim Schweißen entstehenden Wärmeverzugs zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass außer der für den Schweißprozeß benötigten Wärme zusätzlich den Werkstücken Wärme zugeführt wird, um die Spaltbreite am Schweißprozeß einzustellen. Bevorzugt wird beidseitig des Schweißspalts jeweils zumindest eine Wärmequelle für die zusätzliche Wärmezufuhr eingesetzt. Als Wärmequellen zur zusätzlichen Wärmezufuhr eignen sich Brenner oder bevorzugt Laser, insbesondere Diodenlaser.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen mit Kompensation des Schweißverzuqs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Werkstucken unter Wärmezufuhr mittels einer oder über eine Schweißvorrichtung, wobei Werkstucke oder Werk- stuckteile mit einem Spalt zueinander angeordnet und an diesem Spalt miteinander verschweißt werden und wobei eine Relativbewegung zwischen Werkstuck und Schweißvorrichtung vorgesehen ist
Die Erfindung betrifft femer eine Vorrichtung zum Schweißen unter Wärmezufuhr umfassend eine Schweißvorrichtung, welche die für den Schweißprozeß benotigte Warme erzeugt, zum Verschweißen von mit einem Spalt zueinander angeordneten Werkstucken oder Werkstuckteilen und Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Werkstuck und Schweißvornchtung
Bekanntermaßen kann beim Schweißen aufgrund der zugefuhrten Warme ein unerwünschter und nachteiliger Verzug entstehen Insbesondere bei der Fertigung mit längeren Schweißnahten gibt es in der Regel Probleme durch thermischen Verzug Das Bauteil - bestehend aus Werkstucken oder Werkstuckteilen - wird durch die bereits gefertigte Schweißnaht an einem Ende zusammengehalten Am Ort des Schweißprozesses wird Wärmeenergie eingebracht, welche eine thermische Ausdehnung in diesem Bereich hervorruft Diese thermisch begründete Ausdehnung fuhrt dazu, daß der noch nicht geschweißte Bereich auseinander gedruckt wird Dies hat zur Folge, daß der Spalt zwischen den Werkstucken oder Werkstuckteilen zu groß wird und infolgedessen der Schweißprozeß abbricht oder die notige oder gewünschte Qualität nicht mehr erreicht wird
Beim Laserschweißen werden hohe Anforderungen an die zulassige Spaltbreite beim Schweißen gestellt Bei diesen Verfahren darf die Spaltbreite maximal in der Größenordnung von wenigen Hundertsteln mm liegen Die erforderliche Spanntechnik ist insbesondere apparativ sehr aufwendig Eine Kühlung, beispielsweise eine
Wasserkühlung, am Schweißprozeß bedeutet ebenfalls zusatzlichen Aufwand und fuhrt zu anderen Problemen So muß das Wasser komplett wieder entfernt und entsorgt werden Bei den beschriebenen Losungen entstehen zusätzliche Schwierigkeiten bei automatisiertem Betrieb Außerdem ist in der Regel ein kontinuierlicher Durchlauf nicht möglich
In der deutschen Patentschrift DE 43 15 605 C2, die sich ebenfalls mit dem Problem des Schweißverzugs auseinandersetzt, wird vorgeschlagen, ein verdampfungsfestes Gleitmittel, beispielsweise Graphit, in den Schweißspalt vor dem Verschweißen einzubringen Auch diese Methode ist ebenfalls aufwendig und fuhrt nicht immer zu befπedigendenΕrgebnissen
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, mit welchen den aufgrund des Warme- verzugs bestehenden Problemen wirksam begegnet wird Insbesondere sollte ermog- licht werden, daß die Spaltbreite am Schweißprozeß auch wahrend des Schweißvorgangs eingestellt werden kann
Diese Aufgabe wird für das Verfahren dadurch gelost, daß außer der für den Schweißprozeß benotigten Warme zusatzlich den Werkstucken oder dem Werkstuck Warme zugeführt wird
Die Aufgabe wird für die Vornchtung dadurch gelost, daß Mittel zur zusätzlichen Wärmezufuhr an die Werkstucke oder Werkstuckteile vorgesehen sind
Die Erfindung basiert auf der Idee, durch Zufuhr von zusätzlicher Warme mittels mindestens einer neben der Schweißvorπchtung vorhandenen Wärmequelle, die Spaltbreite am Schweißprozeß unter Ausnutzung der Ausdehnung infolge der zusätzlich zugefuhrten Warme einzustellen
Im Rahmen der Erfindung ist eine Anordnung der Werkstucke oder Werkstuckteile mit einem Spalt (Schweißspalt) zueinander vorgesehen Die Werte der Spaltbreiten können im Rahmen der Erfindung dabei sehr klein ausfallen und im Grenzfall bei einer reibschlussigen Anordnung auch gegen Null gehen In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die zusätzliche Wärmezufuhr räumlich begrenzt in einem Abstand zum Schweißpunkt Damit wird die Etnsteilbarkeit der Spaltbreite am Schweißprozeß erhöht und außerdem sichergestellt, daß durch die zusätzliche Wärmezufuhr der Schweißprozeß nicht gestört oder behindert wird
Mit Vorteil erfolgt die zusätzliche Wärmezufuhr räumlich bezüglich einer zu verschweißenden Stelle in der Art, daß ein Verschweißen der Werkstucke oder Werkstuckteiie zeitlich nach der Erwärmung aufgrund der zusätzlichen Wärmezufuhr erfolgt Das bedeutet, daß - ortsfest betrachtet - zunächst die zusätzliche Warme zugeführt und anschließend unter durch die zusätzliche Wärmezufuhr vernngerter Spaltbreite ein Verschweißen der Werkstucke oder Werkstuckteiie stattfindet
Bevorzugt wird beidseitig des Schweißspalts jeweils zumindest eine Wärmequelle für die zusätzliche Wärmezufuhr eingesetzt Durch diese Maßnahme wird die Einstellung der Spaltbreite wesentlich erleichtert
Die Erfindung bietet breite Vaπationsmoglichkeiten zur Anpassung an spezielle Bedingungen Die zusätzliche Wärmezufuhr gemäß der Erfindung kann insbesondere angepaßt werden an die Schweißparameter des Schweißprozesses und/oder an die zu verschweißenden Werkstucke oder Werkstuckteiie, insbesondere an die Art des
Schweißverfahrens, an die Schweißgeschwindigkeit, an die Werkstuckmateπalzusam- mensetzung und/oder an die Starke der verschweißenden Werkstucke oder Werkstuckteiie
Grundsätzlich kann die zusätzlich zugefuhrte Warme durch jedes geeignete Mittel erzeugt werden Insbesondere kann die zusätzliche Wärmezufuhr mittels Flammen oder bevorzugt mittels Laserstrahlung erfolgen Als Wärmequelle fuhrt die zusätzlich zugefuhrte Warme können Brenner oder bevorzugt Laser insbesondere Diodenlaser eingesetzt werden
Die Erfindung kann grundsatzlich im Zusammenhang mit allen Schweißverfahren eingesetzt werden Sie ist insbesondere einsetzbar beim Schweißen von dünnen Materialien Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile kommen im besonderen Maße beim Laserschweißen zur Geltung In Weiterbildung der Erfindung kann die zusätzliche Wärmezufuhr bezüglich der Anordnung der Schweißvorrichtung auf derselben und/oder auf der entgegengesetzten Seite erfolgen Ist die Schweißvorπchtung - beispielsweise ein Laserschweißkopf - oberhalb der zu verschweißenden Werkstucke oder Werkstuckteiie angeordnet können die Wärmequellen zur zusatzlichen Wärmezufuhr oberhalb und/oder unterhalb der Werkstucke oder der Werkstuckteiie angeordnet seien
Durch die zusatzliche Wärmezufuhr gemäß der Erfindung wird das Werkstuckmateπal erwärmt, und dehnt sich aus Dabei wird der Schweißspalt vorzugsweise auf die ge- wünschte Breite verkleinert Gute Ergebnisse konnten erzielt werden, wenn das Material im Bereich weniger Zentimeter vor dem Schweißpunkt erwärmt wird Die zusätzliche Wärmezufuhr erfolgt vorteilhafterweise in einem Abstand vom Schweißpunkt unter 5 cm vorzugsweise zwischen 0,5 und 3 cm
Die Erfindung kann im Zusammenhang mit automatisierten Schweißprozessen eingesetzt werden Die mit der Erfindung erzielten Vorteile fallen besonders groß aus, wenn die zusätzliche Wärmezufuhr wahrend des Schweißens geregelt und/oder gesteuert wird, d h Mittel zur Regelungen oder Steuerung der zusatzlichen Wärmezufuhr vorhanden sind Beispielsweise kann der Schweißspalt online gemessen werden und über eine Leistungsanderung (Änderung der erzeugten zusätzlichen Warme) auf gewünschte Werte - beispielsweise durch Änderung der Leistung von zwei auf jeder Seite des Schweißspaltes eingesetzten Diodenlasern - eingestellt werden
Die mit der Erfindung verbunden Kosten liegen nicht hoher als bei den vorgeschlagenen Konzepten nach dem Stand der Technik Die zusätzlich eingebrachte Wärmeenergie ist zugleich hilfreich, um den Einkopplungsgrad der Schweißlaser und die maximale Schweißgeschwindigkeit zu erhohen

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Schweißen von Werkstücken unter Wärmezufuhr mittels einer oder über eine Schweißvorπchtung, wobei Werkstucke oder Werkstuckteiie mit einem Spalt zueinander angeordnet und an diesem Spalt miteinander verschweißt werden und wobei eine Relativbewegung zwischen Werkstuck und Schweißvorrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß außer der für den Schweißprozeß benotigten Warme zusätzlich den Werkstucken oder dem Werkstuck Warme zugeführt wird
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmezufuhr räumlich begrenzt in einem Abstand zum Schweißpunkt erfolgt
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmezufuhr raumlich bezuglich einer zu verschweißenden Stelle derart erfolgt, daß ein Verschweißen der Werkstucke oder Werkstuckteiie zeitlich nach der
Erwärmung aufgrund der zusatzlichen Wärmezufuhr erfolgt
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig des Schweißspalts jeweils zumindest eine Wärmequelle für die zusatzliche Wärmezufuhr eingesetzt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusatzliche Wärmezufuhr angepaßt wird an die Schweißparameter des Schweißprozesses und/oder an die zu verschweißenden Werkstucke oder Werkstuckteiie, insbesondere an die Art des Schweißverfahrens, an die Schweißgeschwindigkeit, an die Werkstuckmaterialzusammensetzung und/oder an die Starke der zu verschweißende Werkstucke oder Werkstuckteiie
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die zusätzliche Wärmezufuhr mittels Flammen oder bevorzugt mittels Laserstrahlung erfolgt
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet daß die zusätzliche Wärmezufuhr mittels Diodenlaser erfolgt Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen der Werkstucke oder Werkstuckteiie unter Einsatz eines Lasers (Laserschweißverfahren) durchgeführt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmezufuhr bezüglich der Anordnung der Schweiß Vorrichtung auf derselben und/oder auf der entgegengesetzten Seite erfolgt
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmezufuhr in einem Abstand vom Schweißpunkt unter 5 cm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 3 cm erfolgt
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wärmezufuhr wahrend des Schweißens geregelt und/oder gesteuert
Vorrichtung zum Schweißen unter Wärmezufuhr umfassend eine Schweißvorrichtung, welche die für den Schweißprozeß benotigte Warme erzeugt, zum Verschweißen von mit einem Spalt zueinander angeordneten Werkstucken oder
Werkstuckteilen und Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Werkstuck und Schweißvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur zusätzlichen Wärmezufuhr an die Werkstucke oder Werkstuckteiie vorgesehen sind
Vomchtung nach Anspmch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur zusatzlichen Wärmezufuhr und die Schweißvorπchtung so angeordnet sind, daß die zusatzliche Wärmezufuhr raumlich begrenzt in einem Anstand zum Schweißpunkt erfolgt und/oder daß die zusätzliche Wärmezufuhr räumlich bezüglich einer zu verschweißenden Stelle derart erfolgt, daß ein Verschweißen der Werkstucke oder Werkstuckteiie zeitlich nach der Erwärmung aufgrund der zusätzlichen
Wärmezufuhr erfolgt
Vorrichtung nach Anspmch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig des Schweißspaltes Mittel zur zusätzlichen Wärmezufuhr vorgesehen sind 5 Vomchtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet.daß die Mittel zur zusatzlichen Wärmezufuhr einen oder mehrere Brenner oder bevorzugt einen oder mehrere Laser, insbesondere einen Diodenlaser umfassen.
16 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißvornchtung einen Laser enthält.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißvornchtung und die die Mittel zur zusätzlichen Wärmezufuhr derart angeordnet sind, daß die zusätzliche Wärmezufuhr in einem Abstand vom
Schweißpunkt unter 5 cm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 3 cm erfolgt.
18. Vomchtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der zusätzlichen Wärmezufuhr während des Schweißens vorgesehen sind.
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