WO2010015237A1

WO2010015237A1 - Beidseitiges schweissen einer t-stossverbindung mit strahlversatz in schweissrichtung

Info

Publication number: WO2010015237A1
Application number: PCT/DE2009/001075
Authority: WO
Inventors: Holger Gruss
Original assignee: Lfk-Lenkflugkörpersysteme Gmbh
Priority date: 2008-08-02
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2010-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen metallischer Legierungssysteme, das bei einer T-Stoßverbindung zum Einsatz kommt, wobei die Schweißung von beiden Seiten gleichzeitig durch zwei Wärmequellen ausgeführt wird, die jedoch einen Strahlversatz aufweisen. Durch dieses Verfahren wird die Heißrissbildung über die gesamte Nahtlänge, insbesondere am Schweißnahtanfang und -ende ausgeschlossen. Die Erfindung findet insbesondere im Flugzeug- oder Schiffsbau Anwendung.

Description

Beidseitiges Schweißen einer T-Stoßverbindung mit Strahlversatz in Schweißrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen metallischer Werk- stofflegierungen bei einem T-Stoß.

T-Stoßverbindungen kommen beispielsweise im Flugzeugbau vor, wo ein Stringer auf einem Hautblech aufgeschweißt wird. Dabei wird der Stringer beidseitig gleichzeitig auf das Hautblech aufgeschweißt. Hierzu werden zwei Laserstrahlquellen in einer Ebene quer zu Schweißrichtung gegenüberliegend positioniert. Durch diesen Schweißvorgang können am Ende der Nähte Heißrisse auftreten, insbesondere für schweißkritisch geltende Aluminiumlegierungen. Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, diese Heißrissgefahr zu minimieren. Zum Beispiel ist es möglich, eine Optimierung der metallurgischen Zusammensetzung des zu verbindenden Aluminiumma- terials, was einer Beeinflussung des Erstarrungsintervalls des Zweiphasengebietes mit sich bringt. Zum Anderen kann eine Optimierung der Bauteilgeometrie stattfinden, welche die globale Steifigkeit und die Eigenspannungsverhältnisse beeinflusst. Darüber hinaus ist auch eine Optimierung der Schweißprozesszuführung möglich, was eine Beeinflussung der lokalen Steifigkeit und Eigenspannungsverhältnisse mit sich bringt. Von den drei angesprochenen Aspekten hat sich bis heute aus Machbar- keits- und Kostenaspekten das Augenmerk auf eine metallurgische Beeinflussung des Schweißgutes in der Nahtmitte, welche den Ausgangsort der Heißrissbildung bildet, konzentriert. Aus dem Grunde werden dort gezielt heißrissunterdrückende Legierungselemente, wie zum Beispiel Silizium eingebracht, um den Anteil an Rest- schmelze im heißrissrelevanten Zweiphasengebiet zu erhöhen. Durch diese Maßnahme wächst damit das Risiko der Anreicherung primär ausgeschiedenen Siliziums in den Nahtflanken und folglich der Schweißnahtversprödung. Eine Schweißnahtver- sprödung ist praktisch einer metallurgischen Kerbwirkung gleichzusetzen. Die Duktili- tätseigenschaften des Schweißgutes sinken somit. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Heißrissbildung bei zu verschweißenden Werkstoffen, insbesondere bei metallischen Legierungen, bei einer Ausbildung eines T-Stoßes herabzusetzen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben dabei eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens wieder.

Der grundsätzliche Gedanke des vorliegenden Verfahrens zum Laserstrahlschwei- ßen von Werkstoffen bei einem T-Stoß basiert darauf, dass das beidseitige Schweißen mit einem Strahlversatz in Schweißrichtung durchgeführt wird. Bei einem solchen Vorgehen werden die resultierenden Zugbeanspruchungen auf die Erstarrungsgebiete stark herabgesetzt. Durch diesen Strahlversatz beim Schweißen wird deshalb auch die Rissbildung über die gesamte Nahtlänge, aber insbesondere am Schweißnahtanfang und -ende ausgeschlossen oder zumindest deutlich reduziert.

Dabei basiert das vorliegende Verfahren des Versatzschweißens auf einer Verringerung der lokalen Wärmeeinbringung in die Bauteile. Dadurch, dass zwei Wärmequellen in Schweißrichtung versetzt in das Bauteil einkoppeln, reduziert sich die lokale Wärmeeinbringung. Die Wärmequellen werden dabei abhängig von ihrer Lage als vor- und nachlaufende Wärmequellen bezeichnet.

Ein solches Vorgehen des beidseitigen Schweißens mit Strahlversatz in Schweißrichtung wird durch die Erzeugung zweier separierter Schmelzbäder insbesondere charakterisiert. Bezogen auf seine Breite wird der zu verschweißende Steg des T- Stoßes durch die vorlaufende Wärmequelle nur partiell, dass heißt etwas über die Hälfte umgeschmolzen. Die nachlaufende Wärmequelle schmelzt die andere Seite des Steges anschließend um. So ist gegenüber dem beidseitig gleichzeitigen Schweißen die Ausdehnung beider Schmelzbäder kleiner. Durch den jeweiligen lokalen Wärmeeintrag sind die Schmelzbäder in ihrer Ausdehnung innerhalb des Steges wesentlich geringer. Je kleiner der Schmelzbereich ist, desto geringer ist auch die aus der Erstarrung bzw. Abkühlung resultierende Volumenkontraktion und damit auch die Zugbeanspruchung auf das Erstarrungsgebiet sowie dessen Querverschiebung.

So ist der nicht geschmolzene Stegbereich im Falle der vorlaufenden Wärmequelle über die Heftnaht und im Falle der nachlaufenden Wärmequelle über die bereits durch den vorlaufenden Laserstrahl erzeugte Teilschweißnaht beispielsweise am Hautblech angebunden. Hierdurch wird erreicht, dass die Struktursteifigkeit während des Schweißprozesses erhöht wird. Die freie Schrumpfbewegung des T-Stoßes, beispielsweise eines Stringers, quer zur Schweißrichtung wird behindert und die Entstehung eines Mittenrisses unterbunden.

Daraus lässt sich ableiten, dass die Querverschiebungen des Stringers aus dem Zusammenspiel von lokalem Wärmeeintrag und Struktursteifigkeit sich ableiten lässt.

Grundsätzlich ist der Abstand zwischen den Wärmequellen und damit der Strahlver- satz auf die wärmequellenspezifischen Streckenenergien sowie auf den Grund- und auf den -Schweißzusatzwerkstoff abzustimmen. Dies ist wichtig, damit neben den charakteristischen Merkmalen, die Erzeugung von zwei voneinander getrennten

Schweißbädern und die partielle Umschmelzung des T-Steges, auch eine nahezu symmetrische Nahtausbildung erzeugt wird. Ferner müssen die beiden Teilnähte, bezogen auf die Stegbreite, von den Schmelzbädern durchdrungen werden.

Es zeigt sich, dass durch die Einkopplung der vorlaufenden Wärmequelle der Grundwerkstoff zum Zeitpunkt der Einkopplung der nachlaufenden Wärmequelle bereits vorgewärmt ist. Hierdurch ist die eingebrachte Streckenenergie im Falle der nachlau- - A -

fenden Wärmequelle geringer anzusetzen. Die Streckenenergie ist als Quotient aus Laserleistung und Schweißvorschubgeschwindigkeit zu errechnen.

Bei dünnen Stegen erfolgt die Wärmeableitung zwangsläufig nur in zwei Richtungen, was gleichzeitig eine Behinderung der Wärmeabfuhr bedeutet. Dieser Effekt wird noch durch die Kopplung beider Temperaturfelder und durch die Außenkante während des Einschweißvorganges verstärkt. Somit hängt die Kopplung der Temperaturfelder maßgeblich vom Strahlversatz ab. Damit zum Zeitpunkt der Einkopplung des zweiten Strahles die lokale Stegtemperatur niedrig ist, sollten folgende Möglichkeiten in Betracht gezogen werden:

- maximaler Strahlversatz

- möglichst kleine Steckenenergien wählen

- Berücksichtigung einer Wärmesenke zwischen beiden Foki

Dadurch, dass die technologisch, mechanischen Eigenschaften von der Temperatur abhängen, würden durch die aufgeführten Maßnahmen die Breite des nicht geschmolzenen Reststeges und dessen höchste Minimalstreckengrenzenfestigkeit zunehmen. Hiervon hängt die Höhe der Struktursteifigkeit während des Schweißpro- zesses und ganz besonders während des Einschweißvorganges ab. Es ist deshalb wichtig, dass beide Faktoren für die Erstarrungsrissvermeidung von entscheidender Bedeutung sind. Diese Tatsache setzt eine Mindeststegbreite des T-Stoßes voraus, damit die notwendige Struktursteifigkeit zur Vermeidung von Heißrissen gewährleistet ist.

Allein durch die Tatsache, dass bei einem beidseitigen Schweißen mit einem Strahlversatz zum Einen die Heißrissbildung unterdrückt wird und gleichzeitig daraus abgeleitet die Zugbeanspruchungen auch auf das Zweiphasengebiet herabgesetzt werden, zeigt, dass auf einfache Art und Weise allein durch den Einsatz von zwei Wär- mequellen mit einem Strahlversatz die Neigung zu Rissbildungen über die gesamte Nahtlänge und insbesondere am Schweißnahtanfang und -ende ausgeschlossen oder zumindest deutlich reduziert werden kann. Dieses ist insbesondere im Hinblick auf heißrisskritische Werkstoffe von großer Bedeutung, da dies mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens quasi ohne metallurgische Beeinflussung möglich ist.

Das erfinderische Verfahren lässt sich auch bei T-Stoßverbindungen im Schiffsbau oder dergleichen anwenden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum beidseitigen Laserstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen bei einer Bauteileausführung als T-Stoß, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wärmequellen zueinander in Schweißrichtung versetzt den Schweißvorgang ausführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des Wärmeeintrags zwei voneinander separierte Schmelzbäder erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schweißrichtung betrachtet es eine vorlaufende und eine nachlaufende

Wärmequelle gibt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zwei separierten Schmelzbäder bei dem T-Stoß, bezogen auf seine Breite, der Steg nur partiell umgeschmolzen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorlaufende Wärmequelle den Stegbereich des T-Stoßes bereits vorgewärmt hat und dadurch die eingebrachte Streckenenergie der nachlaufenden Wärmequelle geringer ist.