WO2015155257A1 - SCHWEIßEINRICHTUNG, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BAUTEILS MITTELS SCHWEIßUNG UND VERWENDUNG EINER ELEKTRODE AUS SCHWEIßZUSATZWERKSTOFF - Google Patents

SCHWEIßEINRICHTUNG, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BAUTEILS MITTELS SCHWEIßUNG UND VERWENDUNG EINER ELEKTRODE AUS SCHWEIßZUSATZWERKSTOFF Download PDF

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laser beam
electrode
component
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Alexander Kloshek
Vesselin Michailov
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Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
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    • B23K9/173—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a consumable electrode

Definitions

  • Welding device method for producing a component by means of welding and use of an electrode made of filler metal
  • the present invention relates to a welding device and a method for producing a component by means of welding and the use of a specially shaped electrode made of welding filler for welding at least one component.
  • Arc welding process such.
  • the protective gas welding and also the submerged arc welding are well known. It is relatively new to combine such an arc welding method to increase the welding speed and / or to bridge larger gaps between components to be welded with a laser beam welding process. Such combination methods are used, inter alia, for pipeline construction and shipbuilding. These welding methods, which are also called laser-hybrid welding methods, usually require less seam preparation than MIG or MAG welding.
  • laser-hybrid welding methods usually require less seam preparation than MIG or MAG welding.
  • laser hybrid welding has the advantage of relatively low heat input into the workpiece to be welded, associated with the resulting slight distortion or tension. This has a favorable effect on the strength values of the workpiece and its dimensional accuracy. Due to the The use of heat by the laser can be used to reduce the process parameters for the realization of the arc.
  • DE 601 00 967 T2 discloses a device for laser hybrid welding, in which also an arc and a laser are used, wherein a filler material is entered laterally in a welding head. From DE 196 27 803 C1 a nozzle arrangement for simultaneous welding machining with a laser beam and an arc is known, wherein the welding electrode and the laser beam impinge on each other at an angle to the workpiece to be welded.
  • the object of the invention is to provide a welding device and a method for producing a component by means of welding and such a welding electrode with which welding connections with a high strength value, low distortion and in a simple, cost-effective and with little effort automatable manner low weld preparation are feasible.
  • This object is achieved by the inventive welding device according to claim 1, by the inventive method for producing a component by welding according to claim 6 and by the inventive use of a specially shaped electrode made of filler metal according to claim 10.
  • Advantageous embodiments of the welding device according to the invention are specified in the subclaims 2 to 5.
  • Advantageous embodiments of the method according to the invention for producing a component by means of welding is specified in the subclaims 7 to 9.
  • the welding device is used for welding workpieces and comprises a laser beam source for emitting a laser beam, a feed device for realizing a feed movement of an electrode to be melted welding consumables along a transport direction in a Abschmelzzone, and a current contact unit for applying an electrical voltage to the electrode to be melted.
  • the laser beam source, the feed device and the current contact unit are arranged and configured relative to each other such that the longitudinal axis of the laser beam emitted by the laser beam source is substantially parallel to the transport direction of the electrode.
  • the longitudinal axis of the laser beam is exactly parallel to the transport direction of the electrode, wherein a permissible angular deviation between the laser beam longitudinal axis and the transport direction should amount to a maximum of 5 ° and preferably not more than 3 °.
  • an electrical voltage is applied to the welding filler, which is thus carried out in the region between the electrical contact by means of the current contact unit and the opposite poled material as an electrode.
  • the feed movement realized by the feed device can act directly on this electrode, wherein a force or a torque is transmitted directly from the feed device to the electrode.
  • the feed device acts on the welding filler material, which is guided through the current contact unit and thus pushes the electrode in the direction of the melting zone.
  • the transport direction of the electrode extends substantially in the direction of a realizing weld, such. B. the range of a seam to be produced between two workpieces.
  • the welding device according to the invention is designed as inert gas welding unit, wherein it is designed as an MIG unit using inert gas or as MAG welding unit using active, ie reactive gases and consequently for performing arc welding method, wherein the electrode is preferably substantially continuously tracked as a melting welding wire by a motor designed as a feed device.
  • the welding device is designed to carry out submerged arc welding.
  • the welding device can have an electrode forming device, with which a cross section of the electrode can be generated, which surrounds the emanating from the laser beam source laser beam at least in an angular range of 180 °.
  • This environment of the laser beam with the electrode material in an angular range of at least 180 ° is realized in the plane perpendicular to the longitudinal axis of the laser beam cross-sectional plane of the laser beam.
  • the environment of the laser beam with electrode material can be realized in particular in an electrode shape that is concave or U-shaped or V-shaped or hollow-shaped.
  • the laser beam source is arranged in a corresponding manner to emit the laser beam in such a way that it is surrounded by electrode material at least in an angular range of 180 °.
  • the laser beam source, the feed device, the current contact unit and the electrode forming device may be formed so arranged relative to each other that the laser beam emitted from the laser beam source passes through a cavity formed by the electrode.
  • the electrode preferably has a hollow cross-section, whereby the laser beam can be emitted through the cavity of the hollow cross-section without melting the electrode material. That is, the laser beam does not impinge on the electrode material or the laser beam is incident on The electrode material strikes, however, with such a low intensity that no laser-induced melting of the electrode material is recorded, but only a heating of the electrode material. Such heating can have an energetic positive effect on the entire welding process, since the electrode material is preheated before melting and therefore less energy must be supplied by the arc for the purpose of melting. Accordingly, in this embodiment, the laser beam is substantially completely made of the material of
  • the electrode-forming device is configured, e.g. B. from a metal strip of welding filler to form a tube or a hollow profile with a non-circular cross-section.
  • the welding filler used as a starting material before forming weakened material areas such. B.
  • the electrode shaping device is arranged in the direction of transport of the electrode between the laser beam source and the current contact unit.
  • the current contact unit may also be arranged between the electrode-forming device and the laser beam source, so that a reshaping of the electrode takes place only after the electrical voltage has been applied.
  • the current contact unit is formed by the electrode-forming device or individual elements of the electrode-forming device, so that its electrical contacting can take place simultaneously with the deformation of the electrode material.
  • the invention is not limited to the arrangement of an electrode forming device, but the welding device according to the invention can also be carried out without electrode forming device, in which case already preformed, U- or V-shaped electrodes are used, which are tracked in the Abschmelzzone, the Laser beam is guided parallel to the transport direction of these electrodes and substantially between the profile legs of the V or U-shaped electrode.
  • the welding device has a gas supply device, with which a protective gas flow can be generated, wherein the gas supply device is arranged and arranged such that a protective gas flow between the laser beam and the electrode and / or on the outside of the electrode in the direction to be generated Welding is feasible.
  • the protective gas flows in the hollow cross section of the electrode in the direction of the weld.
  • the shielding gas is supplied through a nozzle around the electrode to the weld. The shielding gas protects the liquid metal under the arc or the laser from oxidation in order to avoid a weakening of the weld seam.
  • inert gases u. Mixed gases are used. So can be pure C0 2 or a Use mixed gas of argon and small amounts of C0 2 and 0 2 . In this case, through the cavity of the electrode another or the same gas flow, which flows along the outside of the electrode.
  • the welding device according to the invention can also be set up to carry out submerged arc welding, in which case it is a reservoir of
  • the welding device is designed in particular for the automated welding of long seams.
  • the welding process is covered by a layer of relatively coarse and mineral welding powder.
  • the welding powder is melted by the heat generated by the arc or laser and forms a liquid slag, which has a lower density than the melt pool underneath and consequently floats on the molten bath.
  • the resulting slag layer protects the liquid metal from contact with the atmosphere.
  • the arc and the laser burn in a gas-filled cavern under the slag and powder.
  • the solidified slag layer can be easily detached from the weld after the welding process.
  • the welding device has a connecting device for generating a mechanical connection of edges and / or regions of the welding filler material, wherein this connecting device can in particular be adapted to the edges or regions of the welding filler material by means of material closure connect.
  • This can be z. B. realize a welding of edges of a shaped to a pipe cross-section welding filler, so that the pipe cross-section is completely closed.
  • the connecting device can be a component of the electrode-forming device or the electrode-forming device itself.
  • the connecting device is suitable for connecting edges and / or regions of at least one substantially helically extending welding filler material to one another in order to produce a substantially tubular electrode.
  • a further aspect of the present invention is a method for producing a component by means of welding, in which a laser beam is emitted by means of a laser beam source, feed movement of an electrode to be melted from filler metal along a transport direction into a Abschmelzzone is realized by means of a feed device, and to the electrode to be melted an electrical voltage is applied by means of a current contact unit, wherein the laser beam generated by the laser beam source is emitted such that its longitudinal axis is substantially parallel to the transport direction of the electrode.
  • the electrode is successively melted after the voltage is applied by forming an arc between the electrodes and the workpiece to be welded.
  • the emission of the laser beam is preferably carried out exactly parallel to the transport or feed direction or to the electrode axis. Due to the high temperature of the arc and the action of the laser beam, the base material is melted at the weld. This means that due to the introduction of the additional heat of the laser beam, this together with the arc, the workpiece or the component to be welded can weld very deep, so that only a small weld preparation is necessary. Due to the parallel feeding of the focused laser beam and of the filler metal, heating of the filler material may occur with a certain scattering of the laser beam, which may increase the deposition rate.
  • a cross-section of the electrode is produced by means of an electrode-forming device, which of the Laser beam emitted laser beam at least in an angular range of 180 ° surrounds.
  • a substantially hollow cross section of the electrode is generated by the electrode forming device, through which the laser beam passes.
  • only a filler metal with a concave cross-section or as a U or as a V-profile is provided, and the laser beam emitted so that the laser beam at least in a range of 180 ° from the material of the welding filler or the Electrode is surrounded.
  • a protective gas flow between the laser beam and the electrode material is generated in the direction of a weld to be realized.
  • the protective gas is preferably supplied through the hollow cross section of the weld.
  • the protective gas flows from a nozzle on the outside of the electrode material along the arc and the laser beam towards the weld and protects the solidifying melt.
  • inventive method is not limited to the realization of a protective gas stream, but it can also be performed as Unterpulverversch spabacter.
  • a connecting device by means of a connecting device, at least one mechanical connection of edges and / or regions of welding filler material can be produced.
  • This can be z. B. realize a welding of edges or areas of a shaped in the pipe cross-section welding filler, so that the pipe cross-section is completely closed.
  • Another aspect of the present invention is the use of an electrode made of welding filler material with an at least segmentally concave cross-section and preferably a hollow cross section for inert gas welding or Submerged arc welding at least one component. That is, an electrode having a concave cross section or a hollow cross section is used to carry out the method according to the invention. Under a concave cross-section is here any, by negative features such. B. recesses or recesses formed cross-section, regardless of whether it has a curvature or is bounded on the inside by linear sections.
  • FIG. 1 shows a welding device according to the invention in a schematic view from the side
  • Fig. 2 shows a section along the direction indicated in Fig. 1 section A-A through the welding device according to the invention.
  • the welding device according to the invention will be described with reference to an embodiment, which is designed for inert gas welding, in which the protective gas through a hollow shaped electrode 70 and a protective gas 90 as
  • Welding bath 120 is directed.
  • the present invention is not limited to such a protective gas welding device, but it may also be formed as a Unterpulverversch warm rivets not shown here.
  • the welding device 1 shown by way of example comprises a laser beam source 10, with which a laser beam 1 1 in the direction of the weld point to be executed 1 10 on a workpiece to be welded 100 is emitted. Furthermore, an electrode forming device 40 is arranged, with which a welding filler material 30 present in an exemplary manner in an undeformed section 31 can be deformed in this way. bar is that the welding filler material 30 in a deformed portion 32 forms a tubular hollow cross-section, as can be seen inter alia from that shown in Fig. 2 in sectional view welding filler material 30. This deformed filler 30 forms the electrode 70.
  • this welding filler material 30, which is substantially tubular the laser beam 11 radiates substantially without being incident on the welding filler material 30.
  • the laser beam 1 1 passes through the cavity 50 formed by the deformed filler metal 30.
  • a connecting device 41 is arranged, with which edges of the deformed welding filler material can be connected to one another, in particular by means of material flow and preferably by means of welding.
  • the deformed filler metal 30 is by means of a feed device not shown here in the illustrated transport direction 30 in the direction of
  • Welding point 1 10 transported.
  • the welding filler material 30 reaches the region of a current contact unit 60, with which an electrical voltage is applied to the welding filler material 30.
  • the welding filler material 30 forms the electrode 70, which melts between its free end and the weld 1 10, is transferred from the arc 80 formed there to the weld 1 10 and at least partially forms the weld pool 120 there.
  • the weld pool 120 is protected from the atmosphere by the protective gas of the protective gas stream 91.
  • the laser beam longitudinal axis 12 runs parallel to the transport direction 21 of the welding filler material 30.
  • the current contact unit 60 completely surrounds the tube-shaped welding filler material 30 and contacts it in an electrically conductive manner.
  • the tubular welding filler 30 cavity 50 of the laser beam source 10 emitted laser beam 1 1, which thus coaxially to the arc 80 impinges on the workpiece 100 and at least partially runs Welding bath 120 realized.
  • the arc 80 and the laser beam 1 1 are thus used to heat in a weld 1 10 of the workpiece 100 and melt, wherein, as described in the manner of the laser beam 1 1 allows deep welding of the workpiece or the components to be connected.
  • Laser beam source 10 Laser beam 1 1

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung (1) zum Schweißen von Werkstücken (100), umfassend eine Laserstrahlquelle (10) zur Emission eines Laserstrahls (11), eine Vorschubeinrichtung zur Realisierung einer Vorschubbewegung einer abzuschmelzenden Elektrode (70) aus Schweißzusatzwerkstoff (30) in einer Transportrichtung (21) in eine Abschmelzzone, und eine Stromkontakteinheit (60) zur Anlegung einer elektrischen Spannung an die abzuschmelzende Elektrode (70). Die Laserstrahlquelle (10), die Vorschubeinrichtung und die Stromkontakteinheit (60) sind derart relativ zueinander angeordnet und ausgebildet, dass die Längsachse des von der Laserstrahlquelle (10) aussendbaren Laserstrahls (11) im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung (21) der Elektrode (70) verläuft. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung und die Verwendung einer speziell geformten Elektrode aus Schweißzusatzwerkstoff zur Schweißung wenigstens eines Bauteils.

Description

Schweißeinrichtung, Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung und Verwendung einer Elektrode aus Schweißzusatzwerkstoff
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißeinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung und die Verwendung einer speziell geformten Elektrode aus Schweißzusatzwerkstoff zur Schweißung wenigstens eines Bauteils.
Lichtbogenschweißverfahren, wie z. B. das Lichtbogenhandschweißen, das Schutz- gasschweißen sowie auch das Unterpulverschweißen, sind hinlänglich bekannt. Relativ neu ist es, ein solches Lichtbogenschweißverfahren zur Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und/oder zur Überbrückung größerer Spalten zwischen zu schweißenden Bauteilen mit einem Laserstrahlschweißverfahren zu kombinieren. Derartige Kombinationsverfahren werden unter anderem zum Rohrleitungsbau sowie zum Schiffsbau eingesetzt. Diese auch Laser-Hybrid-Schweißverfahren genannten Schweißmethoden bedürfen üblicherweise einer geringeren Nahtvorbereitung als beim MIG- bzw. MAG-Schweißen. Durch die Nutzung eines Laserstrahls lässt sich konzentriert Wärme einbringen und eine hohe Schweißtiefe sowie Schweißgeschwindigkeit realisieren. Bei Auftreffen des Laserstrahls auf die Werkstückoberflä- che wird der bestrahlte Bereich bis auf Verdampfungstemperatur erhitzt. Es entsteht eine Dampfsäule, an der der Laserstrahl reflektiert wird, so dass sich ein sehr tiefer Einbrand realisieren lässt. Durch die Lichtbogenschweißung lässt sich auf Grund der abschmelzenden Elektrode innerhalb kürzester Zeit ein großes Schweißzusatzwerkstoffvolumen zuführen. Auf diese Weise lassen sich auch dickere Bauteile mittels Schweißung fügen. Das Laser-Hybrid-Schweißen lässt sich insbesondere zur
Schweißung von Aluminiumteilen verwenden, wobei relativ hohe Bauteiltoleranzen sowie geringe Schweißnahtvorbereitungen akzeptabel sind. Neben den genannten Effekten hat das Laser-Hybrid-Schweißen den Vorteil der relativ geringen Wärmeeinbringung in das zu schweißende Werkstück, verbunden mit den dadurch beding- ten geringfügigen Verzug bzw. Spannungen. Dies wirkt sich günstig auf die Festigkeitswerte des Werkstückes sowie dessen Maßgenauigkeit aus. Aufgrund der Ein- bringung von Wärme durch den Laser lassen sich die Prozessparameter zur Realisierung des Lichtbogens verringern.
Es ist weiterhin bekannt, beim Plasmaschweißen einen Laserstrahl koaxial zu einem entstehenden Lichtbogen auszurichten, wobei hier ein Zusatzwerkstoff gegebenen- falls extra dem Schweißbad zugegeben werden muss, da die beim Plasmaschweißen verwendete Elektrode nicht abbrennt.
Aus der DE 10 2007 021 361 A1 ist ein Verfahren zur Laser-Lichtbogen- Hybridschweißung bekannt, welches insbesondere zur Schweißung von Kehl- oder V-Nähten geeignet ist. Hier werden ein Laserschweißkopf und ein Lichtbogen- schweißkopf relativ zueinander bewegt und ihre Positionen in Abhängigkeit des
Lichtbogenschweißstroms geregelt. Die DE 601 00 967 T2 offenbart eine Einrichtung zum Laser-Hybridschweißen, in der ebenfalls ein Lichtbogen und ein Laser zum Einsatz kommen, wobei ein Zusatzwerkstoff seitlich in einen Schweißkopf eingegeben wird. Aus der DE 196 27 803 C1 ist eine Düsenanordnung zum gleichzeitigen Schweißbearbeiten mit einem Laserstrahl und einem Lichtbogen bekannt, wobei die Schweißelektrode und der Laserstrahl winklig zueinander auf das zu schweißende Werkstück auftreffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schweißeinrichtung sowie ein Ver- fahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung und eine derartige Schweißelektrode zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, kostengünstiger und mit geringem Aufwand automatisierbarer Weise Schweißverbindungen mit hohem Festigkeitswert, geringem Verzug sowie geringer Schweißnahtvorbereitung realisierbar sind. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung nach Anspruch 1 , durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung nach Anspruch 6 und durch die erfindungsgemäße Verwendung einer speziell geformten Elektrode aus Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung ist in den Unteransprüchen 7 bis 9 angegeben. Die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung dient zum Schweißen von Werkstücken und umfasst eine Laserstrahlquelle zur Emission eines Laserstrahls, eine Vorschubeinrichtung zur Realisierung einer Vorschubbewegung einer abzuschmelzenden Elektrode aus Schweißzusatzwerkstoffen entlang einer Transportrichtung in eine Abschmelzzone, sowie eine Stromkontakteinheit zur Anlegung einer elektrischen Spannung an die abzuschmelzende Elektrode. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Laserstrahlquelle, die Vorschubeinrichtung und die Stromkontakteinheit derart relativ zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass die Längsachse des von der Laserstrahlquelle ausgesendeten Laserstrahls im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Elektrode verläuft. Vorzugsweise verläuft die Längsachse des Laserstrahls genau parallel zur Transportrichtung der Elektrode, wobei eine zulässige Winkelabweichung zwischen Laserstrahl-Längsachse und Transportrichtung maximal 5° und bevorzugt nicht mehr als 3° betragen soll. Mit der Stromkontakteinheit wird eine elektrische Spannung an den Schweißzusatzwerkstoff angelegt, der damit im Bereich zwischen der elektrischen Kontaktierung mittels der Stromkontakteinheit und dem entgegengesetzt gepoltem Werkstoff als Elektrode ausgeführt ist. Die von der Vorschubeinrichtung realisierte Vorschubbewegung kann unmittelbar auf diese Elektrode wirken, wobei von der Vorschubeinrichtung eine Kraft bzw. ein Drehmoment direkt auf die Elektrode übertragen wird. Alternativ wirkt die Vorschubeinrich- tung auf den Schweißzusatzwerkstoff, der durch die Stromkontakteinheit geführt wird und somit die Elektrode in Richtung Abschmelzzone schiebt. Die Transportrichtung der Elektrode verläuft im Wesentlichen in Richtung einer zur realisierenden Schweißstelle, wie z. B. den Bereich einer herzustellenden Naht zwischen zwei Werkstücken. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung als Schutzgasschweiß- einheit ausgebildet, wobei sie als MIG-Einheit unter Nutzung von inertem Gas oder auch als MAG-Schweißeinheit unter Nutzung von aktiven, also reaktionsfähigen Gasen ausgeführt ist und demzufolge zur Ausführung von Lichtbogenschweißverfahren dient, bei dem die Elektrode vorzugsweise als abschmelzender Schweißdraht von einer als Motor ausgestalteten Vorschubeinrichtung im Wesentlichen kontinuierlich nachgeführt wird.
In alternativer Ausgestaltung ist die Schweißeinrichtung zur Ausführung von Unterpulverschweißen ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung kann in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Elektrodenformungseinrichtung aufweisen, mit der ein Querschnitt der Elektrode erzeugbar ist, der den von der Laserstrahlquelle aussendbaren Laserstrahl zumindest in einem Winkelbereich von 180° umgibt. Diese Umgebung des Laserstrahls mit dem Elektrodenmaterial in einem Winkelbereich von mindestens 180° ist in der senkrecht zur Längsachse des Laserstrahls verlaufenden Querschnittsebene des Laser- Strahls realisiert. Die Umgebung des Laserstrahls mit Elektrodenmaterial kann insbesondere in einer Elektrodenform realisiert sein, die konkav bzw. U- oder V-förmig ist oder auch hohlprofilformig ausgebildet ist. Die Laserstrahlquelle ist in entsprechender Weise angeordnet, den Laserstrahl derart zu emittieren, dass er zumindest in einem Winkelbereich von 180° von Elektrodenmaterial umgeben ist.
Insbesondere können die Laserstrahlquelle, die Vorschubeinrichtung, die Stromkontakteinheit und die Elektrodenformungseinrichtung derart relativ zueinander angeordnet ausgebildet sein, dass der von der Laserstrahlquelle ausgesendete Laserstrahl durch einen von der Elektrode ausgebildeten Hohlraum verläuft. Das heißt, dass die Elektrode vorzugsweise einen hohlen Querschnitt aufweist, wobei durch den Hohlraum des Hohlquerschnittes der Laserstrahl emittiert werden kann, ohne dass er das Elektrodenmaterial aufschmilzt.. Das heißt, dass der Laserstrahl nicht auf das Elektrodenmaterial auftrifft, oder dass der Laserstrahl zwar auf das Elektrodenmaterial trifft, jedoch mit einer derart geringen Intensität, dass keine laserbeding- te Aufschmelzung des Elektrodenmaterials zu verzeichnen ist, sondern lediglich eine Erwärmung des Elektrodenmaterials. Eine solche Erwärmung kann sich energetisch positiv auf den gesamten Schweißvorgang auswirken, da das Elektrodenmaterial vor Abschmelzung vorgewärmt wird und demzufolge zwecks Abschmelzung weniger Energie durch den Lichtbogen zugeführt werden muss. In dieser Ausführungsform ist demzufolge der Laserstrahl im Wesentlichen vollständig vom Material des
Schweißzusatzwerkstoffes bzw. der Elektrode umgeben, wobei je nach Ausführung der Elektrode auch eine geringfügige Unterbrechung z.B. in Form eines Spaltes im umgebenden Material, wie z. B. ein Spalt mit einer Breite von weniger als ein Zehntel der maximalen lichten Weite Hohlraumes, existieren kannDie Elektrodenformungs- einrichtung ist hierbei eingerichtet, z. B. aus einem Blechstreifen aus Schweißzusatzwerkstoff ein Rohr oder auch ein Hohlprofil mit einem nicht-runden Querschnitt zu formen. In einer besonderen Ausführungsform kann der verwendete Schweißzusatzwerkstoff als Ausgangsmaterial vor der Umformung geschwächte Materialbereiche, wie z. B. Rillen oder Vertiefungen bzw. Ausnehmungen aufweisen, die ein ent- sprechend verringertes axiales Widerstandsmoment realisieren und demzufolge eine Verformung des Schweißzusatzwerkstoffes in diesen Bereichen begünstigen, so dass beispielsweise auch eine Hohlelektrode mit mehreckigen Querschnitt geformt werden kann. Vorzugsweise ist die Elektrodenformungseinrichtung in Richtung des Transports der Elektrode zwischen der Laserstrahlquelle und der Stromkontakteinheit angeordnet. Alternativ dazu kann die Stromkontakteinheit auch zwischen der Elektrodenformungseinrichtung und der Laserstrahlquelle angeordnet sein, so dass eine Umformung der Elektrode erst nach Anlage der elektrischen Spannung erfolgt.
In volumensparender Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Stromkon- takteinheit durch die Elektrodenformungseinrichtung bzw. einzelne Elemente der Elektrodenformungseinrichtung ausgebildet ist, so dass gleichzeitig mit der Umformung des Elektrodenmaterials auch dessen elektrische Kontaktierung erfolgen kann.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung einer Elektrodenformungseinrichtung eingeschränkt, sondern die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung kann auch ohne Elektrodenformungseinrichtung ausgeführt sein, wobei in diesem Fall bereits vorgeformte, U- bzw. V-profilförmige Elektroden eingesetzt werden, die in die Abschmelzzone nachgeführt werden, wobei der Laserstrahl parallel zur Transportrichtung dieser Elektroden und im Wesentlichen zwischen den Profilschenkeln der V- bzw. U-profilförmigen Elektrode geführt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schweißeinrichtung eine Gaszuführungseinrichtung aufweist, mit der ein Schutzgasstrom erzeugbar ist, wobei die Gaszuführungseinrichtung derart angeordnet und eingerichtet ist, dass ein Schutzgasstrom zwischen Laserstrahl und Elektrode und/ oder an der Außenseite der Elektrode in Richtung einer zu erzeugenden Schweißstelle realisierbar ist. Bei Ausgestaltung der Elektrode mit einem hohlen Querschnitt strömt demzufolge das Schutzgas im hohlen Querschnitt der Elektrode in Richtung der Schweißstelle. In alternativer Ausführung oder hinzukommend wird das Schutzgas durch eine Düse um die Elektrode herum der Schweißstelle zugeführt. Das Schutzgas schützt das flüssi- ge Metall unter dem Lichtbogen bzw. dem Laser vor Oxidation, um eine Schwächung der Schweißnaht zu vermeiden. Als Schutzgas können insbesondere aktive Gase, inerte Gase u. Mischgase zum Einsatz kommen. So lässt sich reines C02 oder ein Mischgas aus Argon und geringen Anteilen aus C02 und 02 verwenden. Dabei kann durch den Hohlraum der Elektrode ein anderes oder auch dasselbe Gas strömen, welches an der Außenseite der Elektrode entlang strömt.
Die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung kann jedoch auch zur Ausführung von Unterpulverschweißung eingerichtet sein, wobei sie dann ein Reservoir von
Schweißpulver aufweist. In dieser Ausgestaltungsvariante ist die Schweißeinrichtung insbesondere zur automatisierten Schweißung langer Nähte ausgebildet. Der Schweißprozess wird von einer Schicht des relativ grobkörnigen und mineralischen Schweißpulvers bedeckt. Das Schweißpulver wird durch die vom Lichtbogen bzw. Laser erzeugte Wärme aufgeschmolzen und bildet eine flüssige Schlacke, die eine geringere Dichte aufweist, als das darunter befindliche Schmelzbad und demzufolge auf dem Schmelzbad aufschwimmt. Durch die dadurch erzeugte Schlackeschicht wird das flüssige Metall vor einem Kontakt mit der Atmosphäre geschützt. Der Lichtbogen und der Laser brennen in einer gasgefüllten Kaverne unter der Schlacke und dem Pulver. Die erstarrte Schlackeschicht lässt sich nach dem Schweißvorgang in einfacher Weise von der Schweißnaht lösen.
Insbesondere zur Erzeugung einer Schweißelektrode mit hohlem Querschnitt weist die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung eine Verbindungseinrichtung zur Erzeu- gung einer mechanischen Verbindung von Kanten und/oder Bereichen des Schweißzusatzwerkstoffes auf, wobei diese Verbindungseinrichtung insbesondere dazu eingerichtet sein kann, die Kanten bzw. Bereiche des Schweißzusatzwerkstoffes mittels Stoffschluss zu verbinden. Damit lässt sich z. B. eine Verschweißung von Kanten eines zu einem Rohrquerschnitt geformten Schweißzusatzwerkstoffes realisieren, so dass der Rohrquerschnitt vollständig geschlossen ist. Alternativ lassen sich auch mehrere Schweißzusatzwerkstoff-Elemente zu einer Elektrode mit einem konkaven bzw. hohlen Querschnitt verbinden, wobei diese Schweißzusatzwerkstoff-Elemente nicht zwingend vorher umgeformt worden sein müssen. Die Verbindungseinrichtung kann dabei ein Bestandteil der Elektrodenformungseinrichtung oder auch die Elekt- rodenformungseinrichtung selbst sein. In besonders bevorzugter Ausgestaltungsform ist die Verbindungseinrichtung dazu geeignet, Kanten und/oder Bereiche wenigstens eines im Wesentlichen helixförmig verlaufenden Schweißzusatzwerkstoffes miteinander zu verbinden, um eine im Wesentlichen rohrförmige Elektrode herzustellen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißen, bei dem mittels einer Laserstrahlquelle ein Laserstrahl emittiert wird, mittels einer Vorschubeinrichtung eine Vorschubbewegung einer abzuschmelzenden Elektrode aus Schweißzusatzwerkstoff entlang einer Transportrichtung in eine Abschmelzzone realisiert wird, und an die abzuschmelzende Elektrode eine elektrische Spannung mittels einer Stromkontakteinheit angelegt wird, wobei der von der Laserstrahlquelle erzeugte Laserstrahl derart emittiert wird, dass seine Längsachse im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung der Elektrode verläuft. Das heißt, dass die Elektrode nach Anlage der elektrischen Spannung sukzessiv abgeschmolzen wird, durch Ausbildung eines Lichtbogens zwischen den Elektroden und dem zu schweißenden Werkstück. Dabei erfolgt die Emission des Laserstrahls vorzugsweise genau parallel zur Transport- oder Vorschubrichtung bzw. zur Elektrodenachse. Durch die hohe Temperatur des Lichtbogens und die Einwirkung des La- serstrahls wird der Grundwerkstoff an der Schweißstelle aufgeschmolzen. Das bedeutet, dass aufgrund der Einbringung der zusätzlichen Wärme des Laserstrahls dieser zusammen mit dem Lichtbogen das Werkstück bzw. das zu schweißende Bauteil sehr tief schweißen kann, so dass nur eine geringfügige Schweißnahtvorbereitung notwendig ist. Durch die parallele Zuführung des fokussierten Laserstrahls und des Schweißzusatzwerkstoffes kann es bei einer gewissen Streuung des Laserstrahls zu einer Erwärmung des Zusatzwerkstoffes kommen, wodurch sich die Abschmelzleistung erhöhen lässt.
Durch die parallele oder koaxiale Zuführung von Zusatzwerkstoff und Laserstrahl wird nur ein geringer Teil des Schweißbades abgedeckt, so dass das Schweißbad allseitig optisch beobachtbar ist. Außerdem wird durch die parallele bzw. koaxiale Zuführung gewährleistet, dass Zusatzwerkstoff und Laserstrahl tatsächlich an derselben Stelle auf das Werkstück auftreffen, uns zwar im Wesentlichen unabhängig vom Abstand zwischen Werkstückoberfläche und Stromkontakteinheit. Des Weiteren erfolgt durch die Kombination des Lasers mit dem Lichtbogen eine Stabilisierung des Licht- bogens.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißen ist vorgesehen, dass mittels einer Elektrodenformungseinrichtung ein Querschnitt der Elektrode erzeugt wird, der den von der Laserstrahlquelle ausgesendeten Laserstrahl zumindest in einem Winkelbereich von 180° umgibt. In besonderer Ausgestaltung dieses Verfahrensaspektes ist vorgesehen, dass durch die Elektrodenformungseinrichtung ein im Wesentlichen hohler Querschnitt der Elektrode erzeugt wird, durch den der Laserstrahl verläuft. In alterna- tiver Ausgestaltung wird lediglich ein Schweißzusatzwerkstoff mit konkaven Querschnitt bzw. als U- bzw. als V-Profil zur Verfügung gestellt, und der Laserstrahl so emittiert, dass der Laserstrahl mindestens in einem Bereich von 180° vom Material des Schweißzusatzwerkstoffes bzw. der Elektrode umgeben ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass mittels einer Gaszuführungseinrichtung ein Schutzgasstrom zwischen dem Laserstrahl und dem Elektrodenmaterial in Richtung einer zu realisierenden Schweißstelle erzeugt wird. Mit diesem Schutzgas soll bei Abschmelzung der Elektrode das entstehende Schweißbad vor der Atmosphäre geschützt werden, wobei der Schweißzusatzwerkstoff in oder an die Stromkontakteinheit nachgeführt wird. Bei hohl ausgeführter Elektrode wird das Schutzgas vorzugsweise durch den Hohlquerschnitt der Schweißstelle zugeführt. Alternativ strömt das Schutzgas aus einer Düse an der Außenseite des Elektrodenmaterials entlang dem Lichtbogen und dem den Laserstrahl in Richtung Schweißstelle und schützt die erstarrende Schmelze.
Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Realisierung eines Schutzgasstromes eingeschränkt, sondern es kann auch als Unterpulverschweißverfahren ausgeführt werden.
Weiterhin kann mittels einer Verbindungseinrichtung wenigstens eine mechanische Verbindung von Kanten und/oder Bereichen von Schweißzusatzwerkstoff hergestellt werden. Damit lässt sich z. B. eine Verschweißung von Kanten oder Bereichen eines im Rohrquerschnitt geformten Schweißzusatzwerkstoffes realisieren, so dass der Rohrquerschnitt vollständig geschlossen ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Elektrode aus Schweißzusatzwerkstoff mit einem zumindest segmentweise konkaven Querschnitt und vorzugsweise einem hohlen Querschnitt zur Schutzgasschweißung oder Unterpulverschweißung wenigstens eines Bauteils. Das heißt, dass eine Elektrode mit konkavem Querschnitt bzw. hohlem Querschnitt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird. Unter einem konkaven Querschnitt ist hier ein jeglicher, durch negative Formelemente wie z. B. Ausnehmungen oder Aus- sparungen geformter Querschnitt zu verstehen und zwar unabhängig davon, ob er eine Wölbung aufweist oder an der Innenseite durch lineare Abschnitte begrenzt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schweißeinrichtung in schematischer Ansicht von der Seite,
Fig. 2 einen Schnitt entlang des in Fig. 1 angedeuteten Schnittverlaufes A-A durch die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung.
Die erfindungsgemäße Schweißeinrichtung wird an Hand einer Ausführung beschrieben, die zum Schutzgasschweißen ausgebildet ist, bei der das Schutzgas durch eine hohl geformte Elektrode 70 und durch eine Schutzgasdüse 90 als
Schutzgasstrom 91 um den sich ausbildenden Lichtbogen 80 und den Laserstrahl 1 1 herum in Richtung der Schweißstelle 1 10 bzw. sich des sich dort ausbildenden
Schweißbades 120 gerichtet wird. Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Schutzgas-Schweißeinrichtung eingeschränkt, sondern sie kann auch als eine hier nicht dargestellte Unterpulverschweißeinrichtung ausgebildet sein.
Die beispielhaft dargestellte Schweißeinrichtung 1 umfasst eine Laserstrahlquelle 10, mit der ein Laserstrahl 1 1 in Richtung der auszuführenden Schweißstelle 1 10 auf einem zu schweißendem Werkstück 100 emittierbar ist. Weiterhin ist eine Elektrodenformungseinrichtung 40 angeordnet, mit der ein hier beispielshaft in einem unver- formten Abschnitt 31 flächig vorliegender Schweißzusatzwerkstoff 30 derart verform- bar ist, dass der Schweißzusatzwerkstoff 30 in einem verformten Abschnitt 32 einen rohrförmigen Hohlquerschnitt ausbildet, wie es unter anderem aus dem in Fig. 2 in Schnittdarstellung ersichtlichen Schweißzusatzwerkstoff 30 erkennbar ist. Dieser verformte Schweißzusatzwerkstoff 30 bildet die Elektrode 70 aus. Durch diesen im We- sentlichen rohrförmig ausgestalteten Schweißzusatzwerkstoff 30 strahlt der Laserstrahl 1 1 , im Wesentlichen ohne auf den Schweißzusatzwerkstoff 30 aufzutreffen. Der Laserstrahl 1 1 führt durch den Hohlraum 50, der durch den verformten Schweißzusatzwerkstoff 30 ausgebildet ist, hindurch.
Zur Realisierung eines vollständig rohrförmigen Querschnittes ist eine Verbindungs- einrichtung 41 angeordnet, mit der Kanten des verformten Schweißzusatzwerkstoffes miteinander verbunden werden können, insbesondere mittels Stofffluss und vorzugsweise mittels Schweißung.
Der verformte Schweißzusatzwerkstoff 30 wird mittels einer hier nicht extra gezeigten Vorschubeinrichtung in der dargestellten Transportrichtung 30 in Richtung der
Schweißstelle 1 10 transportiert. Dabei gelangt der Schweißzusatzwerkstoff 30 in den Bereich einer Stromkontakteinheit 60, mit der eine elektrische Spannung an den Schweißzusatzwerkstoff 30 angelegt wird. Dadurch bildet der Schweißzusatzwerkstoff 30 die Elektrode 70 aus, die zwischen ihrem freien Ende und der Schweißstelle 1 10 abschmilzt, von dem dort ausgebildeten Lichtbogen 80 auf die Schweißstelle 1 10 übertragen wird und dort zumindest teilweise das Schweißbad 120 ausbildet. Das Schweißbad 120 wird durch das Schutzgas des Schutzgasstromes 91 vor der Atmosphäre geschützt.
Die Laserstrahllängsachse 12 verläuft dabei parallel zur Transportrichtung 21 des Schweißzusatzwerkstoffes 30.
In Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Stromkontakteinheit 60 den rohrförmig ausgestalteten Schweißzusatzwerkstoff 30 vollständig umgibt und elektrisch leitfähig kontaktiert. In dem durch den rohrförmigen Schweißzusatzwerkstoff 30 ausgebildeten Hohlraum 50 verläuft der von der Laserstrahlquelle 10 emittierte Laserstrahl 1 1 , der somit koaxial zum Lichtbogen 80 auf das Werkstück 100 auftrifft und zumindest teilweise das Schweißbad 120 realisiert. Der Lichtbogen 80 sowie auch der Laserstrahl 1 1 werden somit genutzt, um in einer Schweißstelle 1 10 des Werkstück 100 zu erwärmen und aufzuschmelzen, wobei wie in beschriebener Weise der Laserstrahl 1 1 eine tiefe Schweißung des Werkstückes bzw. der zu verbindenden Bauteile ermöglicht.
Bezugszeichenliste
Schweißeinrichtung 1
Laserstrahlquelle 10 Laserstrahl 1 1
Laserstrahllängsachse 12
Transportrichtung 21
Schweißzusatzwerkstoff 30 Unverformter Abschnitt 31
Verformter Abschnitt 32
Elektrodenformungseinrichtung 40
Verbindungseinrichtung 41 Hohlraum 50
Stromkontakteinheit 60
Elektrode 70
Lichtbogen 80 Schutzgasdüse 90
Schutzgasstrom 91
Werkstück 100
Schweißstelle 1 10 Schweißbad 120

Claims

Patentansprüche
1 . Schweißeinrichtung (1 ) zum Schweißen von Werkstücken (100), umfassend eine Laserstrahlquelle (10) zur Emission eines Laserstrahls (1 1 ), eine Vorschubeinrich- tung zur Realisierung einer Vorschubbewegung einer abzuschmelzenden Elektrode (70) aus Schweißzusatzwerkstoff (30) in einer Transportrichtung (21 ) in eine Abschmelzzone, und eine Stromkontakteinheit (60) zur Anlegung einer elektrischen Spannung an die abzuschmelzende Elektrode (70),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laserstrahlquelle (10), die Vorschubeinrichtung und die Stromkontakteinheit (60) derart relativ zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass die Längsachse des von der Laserstrahlquelle (10) aussendbaren Laserstrahls (1 1 ) im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung (21 ) der Elektrode (70) verläuft.
2. Schweißeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Elektrodenformungseinrichtung (40) aufweist, mit der ein Querschnitt der Elektrode (70) erzeugbar ist, der den von der Laserstrahlquelle (10) aussendbaren Laserstrahl (1 1 ) zumindest in einem Winkelbereich von 180° umgibt.
3. Schweißeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (10), die Vorschubeinrichtung, die Stromkontakteinheit (60) und die Elektrodenformungseinrichtung (40) derart relativ zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass der von der Laserstrahlquelle (10) aussendbare Laserstrahl (1 1 ) durch einen von der Elektrode (70) ausgebildeten Hohlraum (50) verläuft.
4. Schweißeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gaszuführungseinrichtung aufweist, mit der ein Schutzgasstrom (91 ) erzeugbar ist, wobei die Gaszuführungseinrichtung derart angeordnet und eingerichtet ist, dass der Schutzgasstrom (91 ) zwischen Laserstrahl (1 1 ) und Elektrode (70) in Richtung einer zur erzeugenden Schweißstelle (1 10) realisierbar ist.
5. Schweißeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verbindungseinrichtung (41 ) zur Erzeugung einer mechanischen Verbindung von Kanten und/ oder Bereichen des Schweißzusatzwerkstoffes (30), insbesondere mittels Erzeugung eines Stoffschlusses, aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung, bei dem mittels einer Laserstrahlquelle (10) ein Laserstrahl (1 1 ) emittiert wird, mittels einer Vorschubeinrichtung eine Vorschubbewegung einer abzuschmelzenden Elektrode (70) aus Schweißzusatzwerkstoff (30) in einer Transportrichtung (21 ) in eine Abschmelzzone realisiert wird, und an die abzuschmelzende Elektrode (70) eine elektrische Spannung mittels einer Stromkontakteinheit (60) angelegt wird, wobei der von der Laserstrahlquelle (10) erzeugte Laserstrahl (1 1 ) derart emittiert wird, dass seine Längsachse im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung (21 ) der Elektrode (70)verläuft.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Elektrodenformungseinrichtung (40) ein Querschnitt der Elektrode (70) erzeugt wird, der den von der Laserstrahlquelle (10) ausgesendeten Laserstrahl (1 1 ) zumindest in einem Winkelbereich von 180° umgibt.
8. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dass mittels einer Gaszuführungseinrichtung ein Schutzgasstrom (91 ) zwischen Laserstrahl (1 1 ) und Elektrodenmaterial (70) in Richtung einer zur realisierenden Schweißstelle (1 10) erzeugt wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels Schweißung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine mechanische Verbindung von Kanten und/ oder Bereichen des Schweißzusatzwerkstoffes (30) hergestellt wird.
10. Verwendung einer Elektrode aus Schweißzusatzwerkstoff mit einem zumindest segmentweise konkaven Querschnitt zur Schutzgasschweißung oder Unterpulver- schweißung wenigstens eines Bauteils.
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