DE19944468B4

DE19944468B4 - Verfahren und Vorrichtung zum WIG/WP-Hybridschweißen

Info

Publication number: DE19944468B4
Application number: DE19944468A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr.-Ing. Trube; Ernst Dipl.-Ing. Miklos; Jürgen Dipl.-Ing. Scholz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: DE19944468A1

Abstract

Verfahren zum WIG- oder WP-Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf das zu bearbeitende, relativbewegte Werkstück geleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer nichtabschmelzenden Hohlelektrode und dem Werkstück erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes der Lichtbogen hinsichtlich seiner Bewegung kontrolliert und gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum WIG- oder WP-Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf das zu bearbeitende, relativbewegte Werkstück geleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer nicht-abschmelzenden Hohlelektrode und dem Werkstück erzeugt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum WIG- oder WP-Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, umfassend einen Laserschweißkopf zum Zuleiten zumindest eines fokussierten Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück, einem Schweißbrenner zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer nicht-abschmelzenden Hohlelektrode und dem Werkstück und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen einerseits dem Laserschweißkopf und dem Brenner und andererseits dem Werkstück.
Laserstrahl- und Lichtbogenschweißverfahren sind mit einem breiten Einsatzfeld in der industriellen Fertigung etabliert. Beide Verfahren haben ihre spezifischen Anwendungen, die durch die physikalischen Prozesse des jeweiligen Energietransports zum Werkstoff und die erreichten Energieflüsse gekennzeichnet werden.
Charakteristisch beim Laserstrahlschweißen ist die geringe Einbringung von Energie in den Werkstoff bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten, was zu einer vergleichbar schmalen wärmebeeinflußten Zone mit einem großen Verhältnis von Einschweißtiefe zu Nahtbreite führt. Allerdings ist beim Laserstrahlschweißen die erzielbare Spaltüberbrückbarkeit aufgrund des kleinen Strahldurchmessers der Laserstrahlung gering.
Der Lichtbogenschweißprozeß führt aufgrund der wesentlich kleineren Energiedichte zu geringeren Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Außerdem ist der Brennfleck des Lichtbogens an der Werkstückoberfläche größer als beim Laserstrahl. Als Folge ergeben sich beim Lichtbogenschweißen breitere Nähte als beim Laserstrahlschweißen, so daß bei einer vergleichbaren Schweißnahttiefe die Spaltüberbrückbarkeit größer ist.
Seit einiger Zeit wird versucht, das Laserstrahlschweißen mit dem Lichtbogenschweißen zu kombinieren. Dabei sind grundsätzlich zwei Verfahrensvarianten denkbar. Die erste Möglichkeit stellt die serielle Prozeßführung dar. Dabei wirken Laserstrahl und Lichtbogen in der Regel zeitlich und örtlich getrennt auf das Werkstück.
Die zweite mögliche Verfahrensvariante wird als sog. Hybridschweißen bezeichnet. Dabei wirken Laserstrahl und Lichtbogen (MSG, WIG oder Plasma) zeitgleich in der Wechselwirkungszone (Plasma und Schmelze) und beeinflussen oder unterstützen sich gegenseitig.
Die Erfindung setzt sich mit dem Hybridschweißen auseinander, wobei die Laserstrahlung und der Lichtbogen im wesentlichen auf dieselbe Stelle am Werkstück auftreffen. Beim Hybridschweißen führt der Lichtbogen dem Schweißgut im oberen Nahtbereich zusätzlich zum Laserstrahl Wärme zu, was zu einer kelchförmigen Gestaltung der Schweißnaht führt. Die wechselseitige Beeinflussung der Prozesse erlaubt je nach dem eingesetzten Laserstrahlschweiß- oder Lichtbogenschweißverfahren und den dabei eingestellten Prozeßparametern unterschiedliche Ausprägungen und Ausrichtungen. Die Wärmebelastung des Werkstücks beim Hybridschweißen kann ähnlich wie beim Laserstrahlschweißen relativ gering gehalten werden. Je nach dem Verhältnis der Leistungsbeiträge durch Laserstrahlung oder Lichtbogen überwiegt der Charakter des jeweiligen Verfahrens beim Hybridschweißen.
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtbogenschweißverfahren innerhalb der Hybrid-Technologie mit Einsatz einer nicht-abschmelzenden Hohlelektrode. Dabei kommen das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) oder das Wolfram-Plasmaschweißen (WP) in Betracht. Bei diesen Verfahren brennt der Lichtbogen zwischen Hohlelektrode und Werkstück.
Die JP 02 147 185 A und auch die JP 05 069 165 A offenbaren ein Hybridschweißen mit Laser und WIG-Hohlelektrode, bei welchem der Laserstahl im Hohlraum der Hohlelektrode auf das Werkstück geführt wird und bei welchem somit der Laserstrahl von dem zwischen Hohlelektrode und Werkstück brennendem Lichtbogen umschlossen ist.
Eine vorteilhafte Beeinflussung der Richtung, in welcher der WIG- oder WP-Lichtbogen brennt, durch elektrische oder/und magnetische Felder beinhaltet die DE 26 02 513 C2 und auch die US 4 536 640 .
Ein Problem beim WIG- und WP-Hybridschweißen mit Hohlelektrode besteht darin, daß der Lichtbogen unkontrolliert zwischen Hohlelektrode und Werkstück brennt, d.h. daß der Lichtbogen unkontrolliert auf dem Umfang der Hohlelektrode wandert. Dies führt zu einem erhöhten Verschleiß der Hohlelektrode, zu nicht reproduzierbaren Einbränden und Nahtoberflächen und zu ungleichförmiger Wärmeverteilung im Werkstück. Im Hinblick auf die geforderte Schweißqualität wird daher ein WIG- oder WP-Hybridschweißen angestrebt, das sich durch Reproduzierbarkeit und Prozeßsicherheit auszeichnet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, wobei ein reproduzierbares und prozeßsicheres Schweißen ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren dadurch gelöst, daß mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes der Lichtbogen hinsichtlich seiner Bewegung kontrolliert und gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt entsprechende Mittel.
Insbesondere kann mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes der Lichtbogen zu einer kontrollierten Bewegung auf dem Umfang der Hohlelektrode gezwungen werden.
Durch die Wirkung des elektrischen und/oder magnetischen Feldes wird auf einfache Art und Weise eine kontrollierte Bewegung des Lichtbogens erzielt. Durch die kontrollierte Bewegung des Lichtbogens auf dem Umfang der Hohlelektrode können mehrere Vorteile und Verbesserung erreicht werden. Zum einen ergibt sich eine bessere und reproduzierbare Nahtqualität, was sich einerseits an einer verbesserten Einbrandgeometrie und andererseits an einer verbesserten Nahtoberfläche zeigt. Zum anderen bewirkt der kontrolliert bewegte Lichtbogen eine bessere Entgasung des Schmelzbades, wodurch weniger Poren entstehen. Schließlich wird eine merkliche Verlängerung der Standzeit der Hohlelektrode durch die gleichmäßigere Belastung erreicht. Des weiteren ergibt sich eine gleichförmige Wärmeverteilung und höhere Richtungsunabhängigkeit. Als Resultat können höhere Schweißgeschwindigkeiten beim WIG- oder WP-Hybridschweißen bei hoher Schweißqualität eingestellt werden.
Bevorzugt ist die Achse der Hohlelektrode konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet.
In Ausgestaltung der Erfindung wird ein Zusatzwerkstoff in Drahtform unter einem Winkel zur Achse zur Hohlelektrode der Bearbeitungsstelle zugeführt. Die Drahtzufuhr kann dabei schleppend und/oder stechend erfolgen.
Der Zusatzwerkstoff in Drahtform kann erfindungsgemäß als Kalt- oder Warmdraht zugeführt werden.
Durch die zusätzliche seitliche Drahtzufuhr werden eine höhere Spaltüberbrückbarkeit, und eine vorteilhafte metallurgische Einflußnahme auf das Schweißgut erzielt.
In Weiterbildung der Erfindung kann das WP-Hybridschweißen mit einem nicht-übertragendem oder einem übertragenden Lichtbogen durchgeführt werden. Dabei wird bevorzugt ein nicht-übertragender Lichtbogen eingesetzt. Der nicht-übertragende Lichtbogen bewirkt eine besser gesteuerte Wärmezufuhr. Er hat darüber hinaus den Vorteil, daß kein elektrisches Potential gegenüber der Erde am Werkstück anliegt.
In Ausbildung der Erfindung strömt ein Reaktions- und/oder Schutzgas auf das zu bearbeitende Werkstück. Dabei können grundsätzlich als Reaktions- und/oder Schutzgase alle bekannten Gase oder Gasgemische Verwendung finden.
Bevorzugt wird das Schutz- und/oder Reaktionsgas nicht durch den Innenraum der Hohlelektrode zugeführt. Erfindungsgemäß erfolgt die Gaszufuhr zur Bearbeitungsstelle über eine unter einem Winkel zur Achse der Hohlelektrode angeordnete Düse. Diese Düse kann beispielsweise unter einem Winkel von ca. 30° zur Achse der Hohlelektrode angeordnet sein.
Alternativ oder ergänzend kann die Gaszufuhr zur Bearbeitungsstelle über eine konzentrisch um die Hohlelektrode angeordnete Düse erfolgen.
Unter einem fokussierten Laserstrahl wird im Rahmen der Erfindung ein im wesentlichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahl verstanden. Außer bei der überwiegend eingesetzten Methode mit im wesentlichen auf die Werkstückoberfläche fokussierter Laserstrahlung kann die Erfindung auch bei der selten benutzten Variante mit auf die Werkstückoberfläche defokussierter Strahlung Anwendung finden.
Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf den Einsatz von speziellen Arten von Lasern beschränkt. Vor allem eignen sich für das Laserstrahlschweißen CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser oder auch Diodenlaser, insbesondere Hochleistungsdiodenlaser (HDL).

Claims

Verfahren zum WIG- oder WP-Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, wobei zumindest ein fokussierter Laserstrahl auf das zu bearbeitende, relativbewegte Werkstück geleitet wird und ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer nichtabschmelzenden Hohlelektrode und dem Werkstück erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes der Lichtbogen hinsichtlich seiner Bewegung kontrolliert und gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes der Lichtbogen zu einer kontrollierten Bewegung auf dem Umfang der Hohlelektrode gezwungen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Hohlelektrode konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusatzwerkstoff in Drahtform unter einem Winkel zur Achse der Hohlelektrode der Bearbeitungsstelle zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalt- oder Warmdraht zugeführt wird.
Verfahren zum WP-Hybridschweißen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein übertragender oder bevorzugt ein nicht-übertragender Lichtbogen vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reaktions- und/oder Schutzgas auf das zu bearbeitende Werkstück strömt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr zur Bearbeitungsstelle über eine unter einem Winkel zur Achse der Hohlelektrode angeordnete Düse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr zur Bearbeitungsstelle über eine konzentrisch um die Hohlelektrode angeordnete Düse erfolgt.
Vorrichtung zum WIG- oder WP-Hybridschweißen mittels Laserstrahl und Lichtbogen, umfassend einen Laserschweißkopf zum Zuleiten zumindest eines fokussierten Laserstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück, einem Schweißbrenner zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer nicht-abschmelzenden Hohlelektrode und dem Werkstück und Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen einerseits dem Laserschweißkopf und dem Brenner und andererseits dem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes zur Erzielung einer kontrollierten Bewegung des Lichtbogens auf dem Umfang der Hohlelektrode vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung des Laserschweißkopfs und des Schweißbrenners vorgesehen ist, so daß die Achse der Hohlelektrode konzentrisch zur Laserstrahlung ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes in Drahtform unter einem Winkel zur Achse der Hohlelektrode der Bearbeitungsstelle vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erwärmung des Zusatzwerkstoffes in Drahtform vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zur Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes über den Lichtbogen auf das zu bearbeitende Werkstück umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zufuhr eines Prozeß- und/oder Schutzgas auf das zu bearbeitende Werkstück vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse zur Gaszufuhr zur Bearbeitungsstelle unter einem Winkel zur Achse der Hohlelektrode angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse zur Gaszufuhr zur Bearbeitungsstelle konzentrisch um die Hohlelektrode angeordnet ist.