DE4141927C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mittels Lichtbogenschweißens unter Schutz­ gas mit einem Lichtbogen zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück, das durch eine induktive Heizung vorgewärmt wird und unter Beibehaltung des induktiven Heizens innerhalb der Induktionsspule geschweißt wird.

Aus der DE-PS 28 31 701 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Vorwärmung mit einer Zusatzenergie­ quelle, die von einem Plasmalichtbogen einer nicht abschmelzenden Elektrode gebildet wird, erreicht wird. Der vorwärmende Plasmalichtbogen der nicht abschmelzenden Elektrode wird dabei wenigstens zum Teil schräg in einen Lichtbogen einer abschmelzenden Elektrode einge­ flutet.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es nicht auf auslagerungs­ gehärtete Superlegierungen anwendbar ist, da der Einwirkungsbereich der Zusatzenergiequelle in Form eines Plasmalichtbogens äußerst begrenzt und thermisch nicht präzise regelbar ist.

Aus JP 62-38 79A ist ein Preßschweißen eines zu einem offenen Rohr verformten Blechstreifens zu einem Rohr mit Schweißnaht bekannt, bei dem das zu schweißende Rohr durch eine Induktionsheizspule gezogen wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß bei diesem Verfahren die induktive Heizung zu einer äußerst inhomogenen Erwärmung des Schweißbereichs führt.

Ein Verfahren zum Schweißen, Schmelzen oder Erhitzen eines Werkstücks mittels Lichtenergie ist aus DE 22 57 739 bekannt. Dieses wird in abgeänderter Weise zum Vorwärmen von Superlegierungen unter Schutz­ gas eingesetzt. Die Abänderung besteht darin, daß bei dem angewandten Verfahren die Lichtenergie nicht wie in DE 2 75 739 auf das zu erwär­ mende Objekt gebündelt wird, sondern Parallelstrahler das Werkstück großflächig erwärmen. Das Schweißen wird beim angewandten Verfahren nicht mittels Lichtenergie durchgeführt, sondern erfolgt durch Licht­ bogenschweißen unter Schutzgas.

Ein Nachteil des angewandten Verfahrens ist, daß mit dem bezüglich Baugrößen- und Heizleistungsverhältnis eingeschränkten Parallel­ strahlen das gesamte Werkstück auf Vorwärmtemperatur aufgeheizt wird und dazu erhebliche Vorwärmzeiten von mehr als 5 Minuten er­ forderlich sind. Gleichzeitig wird der Schutzgasbehälter nachteilig teilweise mit aufgeheizt. Schließlich ist die Lichtquelle aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte ein hoher Kostenfaktor, da die Lebens­ dauer der Lichtstrahler bei der erforderlichen hohen Leistung stark begrenzt ist. Ferner wird bei diesem Verfahren nicht nur der zu schweißende Werkstücksbereich, sondern auch das Schutzgas konvektiv über den bestrahlten Schutzgasbehälter, der das Werkstück aufnimmt, erhitzt, so daß eine erhebliche Wärmebelastung für die Mitarbeiter bei der Anwendung dieses Vorwärm- und Schweißverfahrens auftritt. Mit diesem Verfahren ist ein hoher Energieverbrauch verbunden. Ferner sind Kühlvorrichtungen in besonders kritischen Bereichen des Schutz­ gasbehälters erforderlich.

Aus US-PS 41 41 127 ist ein Verfahren zur Reparatur von Turbinen­ schaufeln mittels Auftragsschweißens von Superlegierungen bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Schweißspannungen nachträglich durch einen Temperprozeß bei 1200°C für 1 Stunde abgebaut. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß dieser Reparaturprozeß mit nachge­ schaltetem Temperprozeß nicht für alle ausscheidungsgehärteten Super­ legierungen zulässig ist und die Gefahr der Rißbildung beim Durch­ laufen des Temperaturbereichs des sogenannten Duktilitätsloches bei γ′-Bildnern sowie des Werkstückverzugs beim Schweißen und beim Tempern nicht ausgeschlossen ist.

Aus DE 37 26 587 C2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem diskonti­ nuierlich zu bearbeitende Werkstücke mit Hilfe induktiver Heizung erwärmt und preßgeschweißt werden. Beim Preßschweißen werden die Induktionsspulen vom Werkstück abgezogen, so daß nachteilig eine Vorwärmtemperatur beim Schweißen nicht konstant gehalten werden kann.

Aus GB 22 14 118 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Schweißen von Rohrleitungen bekannt, bei dem ein Werkstück induktiv vorgeheizt wird und unter Beibehaltung des induktiven Heizens innerhalb einer Induktions­ spule geschweißt wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß keine reproduzierbare Regelung der Vorwärmtemperatur möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, wobei Energie eingespart, die Vorwärmzeit verkürzt und die thermische Belastung von Schutzgasbehälter und Mitarbeiter reduziert wird sowie eine präzise Steuerung und Regelung der Vorwärmtemperatur eine riß- und verzugsfreie Auftrags- oder Verbindungsschweißung von Superlegierungen ohne negative Beein­ flussung des Grundwerkstoffes auch während anschließender Wärme­ behandlungen gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Vorwärm­ temperatur auf der dem Schweißbereich abgewandten Seite des Werk­ stücks pyrometrisch erfaßt und beim Auftrags- oder Verbindungs­ schweißen an Werkstücken aus Superlegierungen durch Regelung der induktiven Heizung konstant auf der Spannungsfreiglühtemperatur der Superlegierung gehalten wird.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß durch induktive Erwärmung der Schweißbereich auf eine Temperatur, die einer für den Werkstoff des Werkstücks bekannten Spannungsfreiglühtemperatur entspricht, präzise vorgewärmt wird. Womit ein kontinuierlicher Spannungsabbau auf einen für die Rißbildung unkritischen Restwert der residenten Schweißeigenspannungen verbunden ist.

Induktive Heizer und induktive Heiztechniken sind an sich bekannt und werden in der Kristallzucht, beim Herstellen von Hochtemperatur­ schmelzen oder beim Vakuum- oder Schutzgaslöten mit Hochtemperatur­ loten eingesetzt. Ihre Vorteile beim Lichtbogenschweißen unter Schutzgas waren für den Schweißfachmann bisher nicht naheliegend, da die Schmelzzone beim induktiven Heizen immer auf das Innere einer Spule beschränkt ist. Eine Schweißzone müßte demnach für eine effek­ tive Vorwärmung des Werkstücks im Innern eines Induktors angeordnet werden, was eine negative Beeinflussung des Lichtbogens und einen unzureichenden Arbeitsraum für die Elektrodenführung für den Schweiß­ fachmann bedeutet.

Werden Schmelzinduktionsöfen lediglich zum Erwärmen von Bauteilen eingesetzt, so umgibt die dafür einzusetzende, üblicherweise auf Keramik- oder Quarzglasrohr gewickelte Induktionsspule das zu er­ wärmende Bauteil vollständig, was gleichzeitige Schweißmanipulationen am Bauteil nicht zuläßt.

Eine positive Wirkung der induktiven Vorwärmung für das Schweißen von Superlegierungen besteht darin, daß die Vorwärmtemperatur schon innerhalb weniger Sekunden erreicht wird und damit kritische Tempe­ raturbereiche unterhalb der Vorwärmtemperatur schnell durchfahren werden. Der kontinuierliche Spannungsabbau beim Schweißen mit in­ duktiver Vorwärmung verhindert darüber hinaus kritische Spannungs­ überlagerungen infolge von Gefügeumwandlungen (feine C′ Aus­ scheidungen), die bei auslagerungshärtenden Superlegierungen beim Durchlaufen mittleren Temperaturen unterhalb der Vorwärmtemperatur Volumenschwundspannungen bei gleichzeitiger Versprödung (Duktilitäts­ loch) und damit Rißbildungen verursachen.

Für γ′-ausscheidende Superlegierungen liegt die Vorwärmtemperatur bei 900°C bis 1100°C. Die Windungen der Induktionsspule sind wasser­ gekühlt und unterliegen vorteilhaft keinem Verschleiß.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Vorwärmtemperatur mittels eines Reglers, der in Wirkverbindung mit einem Pyrometer und einem Hochfrequenzgenerator steht, konstant gehalten. Das hat den Vorteil, daß zunächst innerhalb von wenigen Sekunden mittels induktiver Erwärmung die Vor­ wärmtemperatur erreicht wird und beim längerandauernden Schweißen gleichmäßig beibehalten wird. Dazu wird der Pyro­ metermeßfleck auf die dem Schweißbereich abgewandte Seite des Werkstücks justiert, und die induktive Heizung mit einer In­ duktionsfrequenz zwischen 150 KHz und 500 KHz gefahren.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen Schutzgasbehälter zur Aufnahme des Werkstücks auf. Dieser ist mit einer Rohrdurchführung zur Zuführung von Schutzgas und mit mindestens einer Drehdurchführung zur Mani­ pulation des Werkstücks bestückt. Das Werkstück ist im Bereich der Schweißung innerhalb des Schutzgasbehälters von einer ge­ kühlten Induktionsspule umschlossen, die mit einem Hochfre­ quenzgenerator über Hochfrequenzdurchführungen im Schutz­ gasbehälter in Wirkverbindung steht, wobei zur Überwachung der Vorwärmtemperatur ein Pyrometer außerhalb des Schutzgasbe­ hälters angeordnet ist.

Das Werkstück kann innerhalb des Hochfrequenzfeldes einer oder mehrerer Induktions­ spulenwindungen gedreht werden, um eine optimale Position des Werkstücks und seiner Schweißstelle in Relation zur Induk­ tionsspule, zum Pyrometer und zur Schweißelektrode mit Schweißbrenner und Schweißdraht einzustellen. Das Werkstück kann außerdem unter gleichzeitiger Einwirkung von Induktionsheizung und Lichtbogenschweißung be­ arbeitet werden. Die Vorrichtung gewährleistet außerdem eine gegenüber einer Lampenvorwärmung verminderte Aufheizung des Schutzgasbehälters und des Schutzgases.

Dazu ist das Pyrometer über ein optisches Fenster im Schutzgasbehälter auf einen Meßfleck ausgerichtet, der sich auf einer von der Schweißstelle abgewandten Seite des Werkstücks befindet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß Schweißtemperatur und Vorwärmtemperatur nicht über das Werkstück gekoppelt werden und Fehlmessungen der Vorwärmtemperatur während des Schweiß­ prozesses vermieden werden.

In einer bevorzugten Ausbildung der Vorrichtung ist eine Drehdurchführung als Drehhubdurchführung ausgebildet, so daß vorteilhaft ein größerer Manipulationsbereich entsteht und die Vorrichtung für die unterschiedlichsten Werkstückgrößen einsetzbar wird. Ferner ist vorzugsweise mindestens ein außer­ halb des Schutzgasbehälters angeordneter Manipulator zur Schweißelektrodenführung beim Lichtbogenschweißen innerhalb des Schutzgasbehälters vorhanden, wodurch eine Schweißung in einem nach allen Seiten geschlossenen Schutzgasbehälters mög­ lich wird. Dazu weist der Schutzgasbehälter optische Fenster zur Überwachung, Regelung und Steuerung des Vorwärm- und Schweißprozesses auf.

Die folgende Fig. 1 soll anhand eines Ausführungsbeispiels Vorrichtung und Verfahren verdeutlichen.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung weist einen Schutzgasbehälter 1 zur Aufnahme des Werkstücks 7 auf. Dieser ist mit Rohrdurchführungen 14 und 15 zur Zu- und Abführung von Schutzgas in den Pfeilrichtungen D und H und mit mindestens einer Dreh-Hubdurchführung 2 zur Manipulation des Werkstücks 7 In den Bewegungsrichtungen B und C bestückt. Das Werkstück 7 ist im Bereich der Schweißstelle 16 innerhalb des Schutzgasbe­ hälter 1 von einer gekühlten Induktionsspule 8 mit beispiels­ weise zwei Windungen umschlossen, die mit einem Hochfrequenz­ generator 12 über Hochfrequenzdurchführungen 17 und 18 im Schutzgasbehälter 1 in Wirkverbindung steht. Ein Mikro­ manipulator 19 zur Schweißelektrodenführung beim Lichtbo­ genschweißen innerhalb des Schutzgasbehälters 1 ist außerhalb des Schutzgasbehälters 1 angeordnet und kann die Schweißelek­ trode 20 mit Schweißbrenner und Schweißdraht 31 in den Pfeil­ richtungen E und F sowie um eine Achse in Richtung G kippen. Die Übertragung der Bewegung erfolgt beispielsweise über ein elektrisch isoliertes Kugelgelenk 38, das in eine verschieb­ liche Glasplatte aus Quarz als Sicht- und Überwachungsfen­ ster 22 eingearbeitet ist. Ferner ist der Schutzgasbehälter 1 mit einem zusätzlichen optischen Fenster 23 zur Überwachung und Regelung des Vorwärmprozesses mittels eines Pyrometers 11 bestückt. Das Pyrometer 11 mißt die Vorwärmtemperatur des Werkstücks 7 an einer vom Lichtbogen abgewandten Stelle des Werkstücks 7, um Fehlmessungen der Vorwärmtemperatur auszu­ schließen.

Das Pyrometer steht über die elektrischen Leitungen 24 mit einem Regler 30 und dem Hochfrequenzgenerator 12 in Wirkver­ bindung, der über das Hochfrequenzanpaßglied 9 die wasserge­ kühlte Induktionsspule 8, die beispielsweise aus zwei Windun­ gen gebildet wird, mit Energie versorgt. Die wassergekühlte Induktionsspule 8 besteht in diesem Beispiel aus einem in ein Isolationsmaterial eingegossenen Kupferrohr. Das Isolations­ material ist temperatur- und oxidationsbeständig und soll elektrische Überschläge und Kurzschlüsse zwischen Induktions­ spule 8 und der Schweißelektrode 20 oder einem WIG-Schweiß­ brenner vermeiden. Um die Sicherheit zu erhöhen werden Hoch­ frequenzgenerator 12 und Schweißstromquelle 29 potentialge­ trennt angeordnet.

Nach Einschalten des Hochfrequenzfeldes erreicht das Werkstück 7 innerhalb von weniger als 12 Sekunden im Bereich der Schweißstelle 16 eine Vorwärmtemperatur zwischen 900°C und 1100°C. Im Bereich des Risses 10, der zu einem Schweißstoß ausgeschliffen wurde, kann nun eine Schweißung mit Hilfe der vom Manipulator 19 geführten Elektrode 20, die gleichzeitig den Schweißdraht 31 in ihrem Zentrum führt, erfolgen. Um den gesamten Riß 10 zu schweißen, kann entweder das Werkstück 7 über die Drehhubdurchführung 2 oder die Schweißelektrode 20 über das Kugelgelenk 20 mit dem Schiebesitz 25 optimal posi­ tioniert und nachgeführt werden.

Das Werkstück 7 ist dazu auf einer Werkstückaufnahme 6 befe­ stigt, die über ein Rohr 13 in Pfeilrichtung B gehoben oder gesenkt und in Pfeilrichtung C gedreht sowie mit Schutzgas in Pfeilrichtung A versorgt werden kann. Ist das Werkstück 7 ein Hohlbauteil oder wie in diesem Beispiel eine mit Kühlkanä­ len 26 ausgestattete Triebwerksschaufel, so können die Hohl­ räume oder Kühlkanäle 26 von der Werkstückaufnahme 6 aus mit Schutzgas in Pfeilrichtung K gefüllt werden.

Ober die Gaszuleitung 5 wird in Pfeilrichtung D ein Netz von Rohrleitungen am Boden des Schutzgasbehälters 1 mit Schutzgas versorgt. Dieses Netz von Rohrleitungen ist beispielsweise von Stahlwolle 3 umgeben, um eine Gleichverteilung des Schutzgases am Boden des Schutzgasbehälters 1 zu erreichen. Das Schutzgas strömt danach durch die gelochte Bodenplatte 4 in den Arbeits­ raum 28 des Schutzgasbehälters 1 und umspült während des ge­ samten Verfahrens gleichmäßig die äußeren Oberflächen des Werkstücks 7.

Claims (3)

1. Verfahren zum Schweißen von Werkstücken mittels Lichtbogen­ schweißens unter Schutzgas mit einem Lichtbogen zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück, das durch eine induktive Heizung vorgewärmt wird und unter Beibehaltung des induktiven Heizens innerhalb der Induktionsspule geschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmtemperatur auf der dem Schweißbe­ reich abgewandten Seite des Werkstücks pyrometrisch erfaßt und beim Auftrags- oder Verbindungsschweißen an Werkstücken aus Su­ perlegierungen durch Regelung der induktiven Heizung konstant auf der Spannungsfreiglühtemperatur der Superlegierung gehalten wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Schutzgasbehälter (1) zur Aufnahme des Werkstücks (7) und mit einer Rohrdurchführung (14) zur Zuführung von Schutzgas, bei der das Werkstück (7) im Bereich der Schweißung (16) innerhalb des Schutzgasbehälters (1) von einer gekühlten Induktionsspule (8) im Schweißbereich umschlossen ist, die mit einem Hochfrequenz­ generator (12) über Hochfrequenzdurchführungen (17, 18) im Schutzgasbehälter (1) in Wirkverbindung steht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schutzgasbehälter (1) mindestens eine Drehdurch­ führung zur Manipulation des Werkstücks (7) aufweist und zur Über­ wachung der Vorwärmtemperatur ein Pyrometer (11) außerhalb des Schutzgasbehälters (1) angeordnet ist, das über ein erstes optisches Fenster (23) im Schutzgasbehälter (1) auf einen Meßfleck ausge­ richtet ist, der sich auf einer von der Schweißstelle (16) ab­ gewandten Seite des Werkstücks (7) befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehdurchführung als Drehhubdurchführung (2) ausgebildet ist und daß mindestens ein außerhalb des Schutzgasbehälters (1) ange­ ordneter Manipulator (19) zur Schweißelektrodenführung beim Licht­ bogenschweißen innerhalb des Schutzgasbehälters (1) vorhanden ist und der Schutzgasbehälter (1) ein weiteres optisches Fenster (22) zur Überwachung, Regelung und Steuerung des Vorwärm- und Schweiß­ prozesses aufweist.