WO2006125601A1

WO2006125601A1 - Verfahren und vorrichtung zum schweissen von werkstücken mittels eines laserstrahl- und eines unterpulverschweissverfahrens

Info

Publication number: WO2006125601A1
Application number: PCT/EP2006/004878
Authority: WO
Inventors: Ulrich Dilthey; Simon Olschok
Original assignee: Rheinisch-Westfälisch Technische Hochschule Aachen
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2006-11-30
Also published as: DE102005024457A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken, insbesondere zum Stoßschweißen von Blechen, wobei in einer gemeinsamen Schweißzone in jeweiligen Prozesszonen ein Laserstrahl und ein Lichtbogen auf die Werkstücke einwirken, wobei die Prozesszone (7) des Lichtbogens, und insbesondere der Lichtbogen, von einem Schutzschüttgut (10), insbesondere einem Pulver (10) überdeckt wird und die Prozesszone (3/5) des Lasers (1) von dem Schutzschüttgut (10) freigehalten wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schweißvorrichtung umfassend Mittel zum gleichzeitigen Lichtbogen- und Laserschweißen in jeweiligen Prozesszonen einer gemeinsamen Schweißzone, wobei eine Schüttvorrichtung (14) vorgesehen ist, aus der ein Schutzschüttgut (10) auf die Prozesszone (7) des Lichtbogens und insbesondere auf den Lichtbogen aufbringbar ist, wobei die Prozesszone (3/5) des Lasers (1) mittels einer Abschirmvorrichtung (2) von Schutzschüttgut (10) freihaltbar ist.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM SCHWEISSEN VON

WERKSTÜCKEN MITTELS EINES LASERSTRAHL- UND EINES

UNTERPULVERSCHWEISSVERFAHRENS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken, insbesondere zum Stoßschweißen von Blechen, wobei in einer gemeinsamen Schweißzone in jeweiligen Prozesszonen ein Laserstrahl und ein Lichtbogen auf die Werkstücke einwirken. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schweißvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Schweißverfahren und Vorrichtungen, bei denen gleichzeitig in einer gemeinsamen Schweißzone in jeweiligen Prozesszonen ein Laserstrahl und ein Lichtbogen auf die Werkstücke einwirken, sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der EP 0 782 489. In diesem Dokument wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei dem Werkstücke gleichzeitig, beispielsweise neben dem Laserschweißen, auch mittels eines Metallschutzgasschweißverfahrens bearbeitet werden.

Die bekannten Verfahren, bei denen unterschiedliche Schweißverfahren kombiniert werden, werden auch als hybride Schweißverfahren, im Fall des zuvor genannten Dokumentes beispielsweise als MSG-Laserhybridschweißverfahren bezeichnet.

Im Rahmen der weiteren Beschreibung der Erfindung wird unter der gemeinsamen Schweißzone diejenige Zone verstanden, in der die Metallschmelze während des Schweißprozesses aufgrund der Einwirkung der beiden verschiedenen Schweißverfahren entsteht. Die Prozesszonen sind hierbei jeweils diejenigen Bereiche in den Werkstücken, in denen unmittelbar entweder der Laserstrahl bzw. der Lichtbogen zur Wirkung gelangt. Hierbei können gegebenenfalls die beiden Zonen der Einwirkung von Laserstrahl und Lichtbogen nicht definitiv voneinander getrennt werden, sondern gehen in ihren Grenzbereichen ineinander über. Insofern wird als Prozesszone des Laserstrahls im Wesentlichen der Bereich verstanden, in dem der Laserstrahl auf seinem Weg in das geschmolzene Werkstück eindringt bzw. auf dieses auftrifft, wobei die Prozesszone des Lichtbogens im Wesentlichen definiert ist durch das Ende einer Schweißelektrode in der Schmelze, von der aus der Lichtbogen ausgeht.

Vor dem Hintergrund des bekannten, aus dem oben genannten Dokument gegebenen Verfahrens ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein derartiges hybrides Schweißverfahren weiter zu bilden und insbesondere zu optimieren hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, zu erreichender Einschweißtiefen, Qualität der erzeugten Schweißnähte sowie auch hinsichtlich der Möglichkeit einer metallurgischen Beeinflussung der Schmelze.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung zum einen gelöst durch ein Verfahren, bei dem die Prozesszone des Lichtbogens und insbesondere der Lichtbogen selbst von einem Schutzschüttgut, insbesondere einem Pulver, überdeckt wird und die Prozesszone des Lasers von dem Schutzschüttgut freigehalten wird.

Gegenüber dem üblichen Metallschutzgasschweißen, bei dem ein Inertgas zum Einsatz kommt, um die Prozesszone vorOxidation durch die Umgebungsluft zu schützen, erweist sich das sogenannte Unterpulverschweißen, bei dem der Lichtbogenschweißprozess unter einem z.B. pulverförmigen Schutzschüttgut stattfindet, weitere Vorteile auf. Bislang war eine Kombination dieser Verfahren zur Ausbildung eines hybriden Schweißverfahrens jedoch nicht möglich, da durch die Abdeckung der zu verschweißenden Werkstücke durch ein Schutzschüttgut die Einwirkung eines Laserstrahls parallel zum Lichtbogen auf das Werkstück unmöglich gemacht wurde.

Es ist nunmehr wesentlicher Gedanke der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem zum einen ein Schutzschüttgut auf die Prozesszone des Lichtbogens bzw. auf den Lichtbogen selbst aufgebracht werden kann, wobei aber gleichzeitig dafür Sorge getragen wird, dass die Prozesszone des Laserstrahls nicht durch das Schutzschüttgut überdeckt, sondern frei gehalten wird, um weiterhin zu gewährleisten, dass in der gemeinsamen Schweißzone beide Schweißverfahren gleichzeitig zum Einsatz kommen können.

Die Aufgabe wird bezogen auf die Vorrichtung dadurch gelöst, dass eine Schweißvorrichtung mit Mitteln zum gleichzeitigen Lichtbogen- und Laserschweißen in den jeweiligen Prozesszonen einer gemeinsamen Schweißzone eine Schüttvorrichtung aufweist, aus der ein Schutzschüttgut auf die Prozesszone des Lichtbogens und insbesondere auf den Lichtbogen selbst aufbringbar ist, wobei die Prozesszone des Lasers mittels einer Abschirmvorrichtung von Schutzschüttgut freihaltbar ist.

Das Freihalten der Prozesszone des Lasers von dem Schutzschüttgut kann grundsätzlich auf beliebige verschiedene Arten erfolgen. Gemäß der Erfindung kann beispielsweise hierfür eine Abschirmvorrichtung an der Schweißvorrichtung vorgesehen sein, um das Freihalten zu ermöglichen.

Bezogen auf die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungen ist festzuhalten, dass jede dieser Ausführungen für sich alleine eingesetzt werden kann, um in bevorzugter Weise ein Freihalten der Prozesszone des Lasers von Schutzschüttgut zu erreichen, wobei es ebenso möglich ist, beliebige Kombinationen der nachfolgenden Möglichkeiten einzusetzen.

So kann es in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen sein, dass die beiden Prozesszonen beabstandet sind, insbesondere in Schweißrichtung oder senkrecht dazu beabstandet sind und die Prozesszone des Lichtbogens in Schweißrichtung hinter und/oder neben der Prozesszone des Lasers angeordnet ist.

Bereits schon durch diese Anordnung ergibt sich eine vorteilhafte Möglichkeit zu erreichen, dass die Prozesszone des Lasers frei bleibt von Schutzschüttgut, welches mit einer Schüttvorrichtung auf die Prozesszone des Lichtbogens bzw. auf den Lichtbogen selbst aufbringbar ist, wofür beispielsweise eine Öffnung dieser Schüttvorrichtung die Schweißelektrode und insbesondere ein Kontaktrohr zur Kontaktierung dieser Schweißelektrode umgibt.

So wird bei entsprechender Beabstandung der Prozesszonen sicher gestellt, dass das auf die Prozesszone des Lichtbogens aufgeschüttete Schutzschüttgut nicht in den Bereich der Prozesszone des Lasers gelangt. Dies wird insbesondere bei einer Bewegung entweder des bzw. der Werkstücke zu der hybriden Schweißvorrichtung oder aber auch bei einer Bewegung der hybriden Schweißvorrichtung gegenüber dem Werkstück z.B. dadurch erreicht, dass die jeweiligen Prozesszonen senkrecht zur Schweißrichtung nebeneinander angeordnet sind. So wird bei einer kontinuierlichen Aufbringung von Schutzschüttgut auf die Prozesszone des Lichtbogens eine Spur von Schutzschüttgut gezogen, die parallel neben dem Verlauf der Prozesszone des Lasers entlangläuft und diesen Bereich der Prozesszone des Lasers nicht überdeckt.

Ebenso ist es möglich, in der Schweißvorrichtung die Anordnung der Schweißelektrode und damit die Prozesszone des Lichtbogens in Schweißrichtung hinter der Prozesszone des Lasers anzuordnen. Hierdurch wird erreicht, dass bei einem Schweißvorgang zunächst der Laserstrahl in seiner Prozesszone auf die Werkstücke einwirkt und sowohl zeitlich als auch räumlich nachfolgend der Lichtbogen in seiner Prozesszone in dem gemeinsamen Schmelzbad zur Wirkung kommt. Hierbei wird aufgrund der Fortbewegung in Schweißrichtung die Prozesszone des Lasers immer vor der Prozesszone des Lichtbogens liegen, so dass auf die Prozesszone des Lichtbogens aufgeschüttetes Schutzschüttgut nicht in den Kontakt mit der Prozesszone des Lasers gelangen kann.

Alternativ oder in Kombination mit dem vorgenannten kann es vorgesehen sein, die Prozesszone des Lasers durch ein Absaugen und/oder Wegblasen des Schutzschüttgutes vom Schutzschüttgut freizuhalten. Auch bei den vorgenannten Ausführungen oder bei anderen Anordnungen, die im Rahmen der Erfindung möglich sind, kann es vorkommen, dass Schutzschüttgut, insbesondere wenn es sich um ein Pulver handelt, beim Aufschütten auf die Prozesszone des Lichtbogens auch in die Bereiche der Prozesszone des Lasers gelangt. Durch ein Absaugen des Schutzschüttgutes aus der Prozesszone des Lasers bzw. aus einer Umgebung dieser Prozesszone des Lasers und/oder durch ein Wegblasen dieses Schutzschüttgutes kann sicher gestellt werden, dass die Prozesszone des Lasers frei bleibt. Hierfür kann beispielsweise in der Schweißvorrichtung eine entsprechende Düse zum Ausblasen von Luft oder eines Gases, auch eines Inertgases vorhanden sein oder aber es kann ein Saugstutzen in der Nähe der Prozesszone angeordnet sein, um durch den sodann eingesaugten Luft- oder Gasstrom sicher zu stellen, dass Partikel des Schutzschüttgutes mit abgesaugt und somit die Prozesszone frei gehalten wird.

Ein Absaugen und/oder Wegblasen wie zuvor genannt, kann auch dafür eingesetzt werden, um ein Laserplasma abzusaugen bzw. wegzublasen, welches sich oberhalb der Prozesszone des Lasers durch ionisierten Metalldampf ausbildet. Ein derartiges Plasma kann nachteilig sein, da durch ein solches Plasma die eingestrahlte Laserenergie absorbiert werden kann und dementsprechend der Energieeintrag in das Werkstück reduziert wird. Durch ein Absaugen oder Wegblasen eines derartigen Plasmas kann demnach der Energieeintrag mittels des Lasers in die Prozesszone des Lasers optimiert werden. So kann gemäß der Erfindung durch ein Absaugen oder Wegblasen der Gesamtprozess in zweierlei Hinsicht optimiert werden, nämlich zum einen durch geringere Absorption im Laserplasma und zum anderen dadurch, dass die Laserprozesszone frei von Schutzschüttgut bleibt.

Alternativ oder in Kombination mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungen kann es weiterhin vorgesehen sein, dass zwischen den Prozesszonen bzw. da gegebenenfalls diese Prozesszonen nicht eindeutig voneinander getrennt werden können, zwischen dem Verlauf des Laserstrahls und der in die Schmelze eintauchenden Schweißelektrode ein Abschirmelement angeordnet sein, welches insbesondere als Trennblech ausgebildet sein kann, um so die Prozesszone des Lasers vom Schutzschüttgut zumindest teilweise abzuschirmen. Ein derartiges Abschirmelement bildet eine mechanische Barriere, um zu verhindern, dass das durch die Schüttung aufgebrachte Schutzschüttgut in die Richtung der Prozesszone des Lasers gelangt. Gegebenenfalls am oder unter einem solchen Abschirmelement vorbei gelangende Schutzschüttgutpartikel können wie bereits oben beschrieben gegebenenfalls ergänzend abgesaugt oder weggeblasen werden.

Um zumindest teilweise zu verhindern, dass Schutzschüttgut das vorgenannte Abschirmblech unterwandert, kann es vorgesehen sein, dass ein unterer Bereich eines solchen Abschirmelementes, insbesondere eines solchen Trennbleches, die Werkstücke und/oder den Bereich zwischen den Prozesszonen kontaktiert.

Ein besonderer weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Schweißvorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist darin zu sehen, dass bei einem hybriden Lichtbogen und Laserschweißverfahren über das eingesetzte Schutzschüttgut, wie beispielsweise einem Pulver, weitere Zusätze, insbesondere Legierungszusätze, in die auszuführende Schweißnaht eingebracht werden können.

Die Kombination des vorbeschriebenen Unterpulver-Lichtbogen- Schweißverfahrens und Laser-Schweißverfahrens hat demnach den besonderen Vorteil einer metallurgischen Beeinflussung der Schmelze, wobei weiterhin gegenüber üblichen Metallschutzgasschweißen oder Unterpulverschweißen weniger Energie bei gleicher Schweißleistung zum Einsatz kommt. So liegen beispielsweise typische Streckenenergien bei ca. 2000 Kilojoule pro Meter. Da unter einem Schutzschüttgut, beispielsweise einem Pulver, ein sehr stabiler Lichtbogen brennen kann, resultieren hieraus qualitativ hochwertige Schweißverbindungen, wobei auch grundsätzlich mehr Leistung während der Schweißverfahren möglich ist. Durch das größere Schmelzbad besteht darüber hinaus mehr Zeit zum Ausgasen der Schmelze, so dass sich weniger Poren durch den vorgenannten höheren Energieeintrag einstellen. Auch dies wirkt sich wiederum positiv auf die Qualität der Schweißnaht aus.

Mit dem erfindungsgemäßen Hybridschweißverfahren können darüber hinaus sehr hohe Schweißtiefen erreicht werden wie beispielsweise von ca. 20 mm bei Schweißgeschwindigkeiten von etwa 1 Meter pro Minute. Dies ist insbesondere z.B. für den Pipelinebau von Interesse.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur 1 dargestellt.

Diese Figur 1 zeigt in einer seitlichen schematischen Darstellung eine Schmelze 9, welche eine gemeinsame Schmelzzone ausbildet, in der sowohl die Prozesszone 7 des Lichtbogens, d.h. hier eine Kaverne des Lichtbogens angeordnet ist als auch die Prozesszone 3 des Lasers, die im Wesentlichen durch ein nach oben ausströmendes Metalldampfplasma bei Einwirkung eines Laserstrahls 1 auf die Werkstücke erzeugt wird.

Es ist hier erkennbar, dass die Schweißrichtung in Richtung des dargestellten Pfeils Vs vorliegt, d.h. entweder, dass die Schweißvorrichtung gegenüber dem Werkstück 6 von links nach rechts bewegt wird oder aber das Werkstück 6 unterhalb der Schweißvorrichtung von rechts nach links. Wesentlich ist hierbei lediglich die hierdurch gegebene Relativbewegung.

Es ist demnach bei Betrachtung der Figur 1 erkennbar, dass beim Verschweißen von zwei auf Stoß liegenden Werkstücken 6 zunächst auf den Spalt zwischen den Werkstücken der Laserstrahl 1 in seiner Prozesszone 3 bzw. 5 einwirkt und örtlich und zeitlich nachfolgend aufgrund der Relativbewegung anschließend die Prozesszone 7 des Lichtbogens, wobei durch die Bewegung in Richtung des Pfeils Vs sich ein nach links ausdünnendes Schmelzebad 9 einstellt. Zwar sind die einzelnen Prozesszonen 7 und 3 bzw. 5 in der Figur 1 getrennt dargestellt, in der Praxis wird sich jedoch eine derartig konkrete Trennung nicht feststellen lassen, d.h. die jeweiligen Prozesszonen gehen praktisch ineinander über.

Für die Durchführung des Schweißverfahren ist es hier erkennbar, dass eine Schüttvorrichtung 14 vorgesehen ist, die mit einer unteren Öffnung ein Kontaktrohr 11 zur Kontaktierung einer Schweißelektrode 8 umgibt, so dass durch diese untere Öffnung der Schüttvorrichtung 14 ein Pulver als Schutzschüttgut 10 auf die Prozesszone 7 bzw. insgesamt auf die Schmelze 9 im Bereich des Lichtbogens aufgetragen werden kann. Es ergibt sich hierdurch bei der dargestellten Hintereinanderanordnung, d.h. der Anordnung des Lichtbogens in Schweißrichtung hinter dem Laserstrahl, eine Spur von Schutzschüttgut, die sich auf der Schweißnaht erstreckt, wobei die Prozesszone des Lasers dieser Spur immer voraneilt.

Schon bereits hierdurch kann bei entsprechender Beabstandung der Prozesszonen erreicht werden, dass aufgeschüttetes Schutzschüttgut nicht in die Prozesszone des Lasers gelangt. Sollte bei eventuell geringeren Abständen es nicht möglich sein, schon zu verhindern, dass das Schutzschüttgut 10 in den Bereich der Prozesszone des Lasers gelangt, so kann hier gemäß der Erfindung ein Trennblech 2 eingesetzt werden, welches als Barriere für das Schutzschüttgut 10 dient und dieses gegenüber der Prozesszone des Lasers zurückhält. In der Figur 1 nicht dargestellt ist die Möglichkeit des zusätzlichen Einsatzes einer Düse zum Ausblasen von Luft oder eines Gases, beispielsweise auch eines Inertgases im Bereich der Prozesszone des Lasers, also bezogen auf die Figur 1 rechtsseitig des Trennbleches 2, um so weiterhin zu gewährleisten, dass jegliche Reste von Schutzschüttgut aus der Prozesszone des Lasers ausgeblasen oder bei entsprechend äquivalenter Anwendung abgesaugt werden mit den darüber hinausgehenden Vorteilen bezüglich der Zerstörung eines sich ausbildenden Laserplasmas.

In der Figur 1 ist ebenso erkennbar, dass ein unterer Bereich des Trennbleches 2 über der Schmelze 9 angeordnet ist und hierbei insbesondere eine Schlackeschicht 13 abstreift, um somit sicherzustellen, dass Partikel des Schutzschüttgutes 10 nicht unter dem Trennblech 2 hindurch in die Zone des Lasers gelangen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken, insbesondere zum Stoßschweißen von Blechen, wobei in einer gemeinsamen Schweißzone in jeweiligen Prozesszonen ein Laserstrahl und ein Lichtbogen auf die Werkstücke einwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszone (7) des Lichtbogens, und insbesondere der Lichtbogen, von einem Schutzschüttgut (10), insbesondere einem Pulver (10) überdeckt wird und die Prozesszone (3/5) des Lasers (1) von dem Schutzschüttgut (10) freigehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Prozeßzonen (7, 3/5) beabstandet sind, insbesondere in Schweißrichtung beabstandet sind, und die Prozesszone (7) des Lichtbogens in Schweißrichtung hinter und/oder neben der Prozesszone (3/5) des Lasers (1) angeordnet ist.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschüttgut (10) mittels einer Schüttvorrichtung (14) um eine Schweißelektrode (8) herum, insbesondere um eine diese haltendes Kontaktrohr (11) herum, auf die zu schweißenden Werkstücke (6) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszone (3/5) des Lasers (1) durch ein Absaugen und/oder Wegblasen des Schutzschüttgutes (10) vom Schutzschüttgut (10) freigehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein

Absaugen/Wegblasen zwischen den Prozesszonen (7, 3/5) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Absaugen und/oder Wegblasen ein Laserplasma (3) oderhalb der Prozesszone (3/5) des Lasers (1) abgesaugt/weggeblasen wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Prozesszonen (7, 3/5) ein Abschirmelement (2), insbesondere ein Trennblech, angeordnet ist, um die Prozesszone (3/5) des Lasers (1) vom Schutzschüttgut (10) zumindest teilweise abzuschirmen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Bereich des Abschirmelementes (2), insbesondere des Trennbleches die Werkstücke (6) und/oder den Bereich zwischen den Prozesszonen (7, 3/5) kontaktiert, um ein Unterwandern des Abschirmelementes (2) durch Schutzschüttgut (10) zumindest teilweise zu verhindern.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschüttgut (10) Zusätze, insbesondere Legierungszusätze aufweist, um diese in die Schweißnaht einzubringen.

10. Schweißvorrichtung umfassend Mittel zum gleichzeitigen Lichtbogen- und Laserschweißen in jeweiligen Prozesszonen einer gemeinsamen Schweißzone, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schüttvorrichtung (14) vorgesehen ist, aus der ein Schutzschüttgut (10) auf die Prozesszone (7) des Lichtbogens und insbesondere auf den Lichtbogen aufbringbar ist, wobei die Prozesszone (3/5) des Lasers (1) mittels einer Abschirmvorrichtung (2) von Schutzschüttgut (10) freihaltbar ist.

11. Schweißvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die

Abschirmvorrichtung Mittel umfasst zur Ausbildung eines Gas- bzw. Luftstromes durch Ansaugen und/oder Ausblasen von Gas und/oder Luft.

12. Schweißvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtung ein Abschirmelement (2), insbesondere ein Trennblech umfasst, welches zwischen den Prozesszonen (7, 3/5) angeordnet ist.