Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, welches mittels der Vorrichtung durchgeführt wird, für ein gesteuertes Kühlen oder Erwärmen metallischer Werkstücke im Temperaturfeld, beim Schweißen und Löten, insbesondere Lichtbogen- bzw. Laserlöten, beim thermischen Trennen, insbesondere Brenn-, Plasma- bzw. Laserschneiden, beim Auftragsschweißens oder beim partiellen Härten, insbesondere Laserhärten, Induktionshärten.

Hierbei gelingt es, durch die Ausbildung einer im Wesentlichen einem Brenner, einem thermischen Brennschneideapparat oder einem Lötapparat in der äußeren Form nachfolgenden konstruierten erfinderischen Vorrichtung, die mit ihm fest verbunden ist und ringförmig angeordnete Kühlgaszuführungen mit Kühlgasaustritten enthält, dass im Bereich der Ausbildung des Temperaturfeldes - auf ein oder auf mehrere Werkstücke wirkend - bereits während des aktiven Schweißens/Lötens/ thermischen Trennens/ Auftragsschweißens oder partiellen Härtens des vorgenannten modifizierten Werkzeuges, Areale des Temperaturfeldes nacheinander oder auch zeitgleich abgekühlt und/oder erwärmt werden können. Die Vorrichtung realisiert hierbei ein offenes Verfahren zur Kühlung und/oder Erwärmung eines bzw. mehrerer zu bearbeitenden Werkstücke.

Gemäß dem bekannten Stand der Technik sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt geworden, die geschlossene Systeme (mit z. B. Rückführung des Kühlmittels) oder auch offene Systeme einer Kühlung bevorzugen, welche zum Teil einen hohen konstruktiven Aufwand erfordern und daher so gut wie nicht für manuelle Arbeitsprozesse geeignet sind.

Beispielhaft soll nachfolgend auf den Stand der Technik eingegangen werden.

So ist nach DE 3936205 C2 eine Lichtbogenschweißlanze bekannt, die mit einer Kühl- und Blasvorrichtung ausgestattet ist. Es soll erreicht werden, dass die Schweißzone in einer den Brenner erweiternden Fläche, insbesondere von Schweißrauchen freigeblasen und gekühlt wird. Ein gesteuertes Vorwärmen oder Nachwärmen sowie ein gleichzeitiges Kühlen ist nicht vorgesehen. Nach DE 102013022056 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Konditionierung eines Schweiß- und Schneidprozesses vorgestellt. Ein temperierter Gasstrom wird hierbei als Kalt- oder Heißgasstrom für das Lichtbogenschweißen oder autogene Brennen vorgeschlagen. Es sollen damit das Temperaturfeld stabil gehalten und Werkstückparameter beeinflusst werden.

Mit DE 19704142 A1 ist ein Kühlverfahren für ein Schutzgasschweißgerät sowie ein Schutzgasschweißgerät mit Kühlvorrichtung bekannt. Die zwei Anteile eines Gasstroms werden einmal zum Kühlen und zum anderen als Schutzgasstrom genutzt. Der Aufbau erfordert einen erheblichen apparativen Aufwand und kann damit nur für Roboter eingesetzt werden.

Schließlich soll noch auf US 4057332 A eingegangen werden. Hier umschließen ringförmig angeordnete Öffnungen eine Linse eines Lasers. Es sind Ein- und Auslässe für eine Flüssigkeitskühlung vorhanden.

Zur Überwindung der Nachteile und zur Verbesserung des Standes der Technik muss daher nach einer praktikablen und einfach gestalteten Lösung gesucht werden.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein mit ihr realisierbares Verfahren für ein gesteuertes Kühlen und/oder Erwärmen metallischer Werkstücke vorzuschlagen, wonach über permanent erfasste und ausgewertete Temperaturen im Temperaturfeld eines thermischen Bearbeitungswerkzeuges, während des Arbeitsfortschritts desselben, eine Werkstückoberfläche entweder nacheinander oder auch zeitgleich lokal gezielt gekühlt und/oder vorgewärmt wird. Dadurch soll es gelingen, Spannungen, Verwerfungen und/oder Veränderungen im Gefüge des Werkstückmaterials im Bereich einer Lötverbindung, einer Schweißnaht, einer thermischen Trennfuge oder einer Laserhärtung zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung wird wie folgt gelöst, wobei die grundsätzlichen Merkmale der Vorrichtung im Patentanspruch 1 und die des Verfahrens im Patentanspruch 8 angegeben sind.

Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale, folgen in den Ansprüchen 2 bis 7 sowie 9 bis 13. Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung als offenes System für ein gesteuertes Kühlen und/oder Erwärmen metallischer Werkstücke im Temperaturfeld beim Schweißen, Löten, thermischen Trennen, beim Auftragsschweißen oder beim partiellen Härten, wobei ein Gehäuse mit einem Brenner, beispielsweise einem Schweißbrenner, fest verbunden ist, welches ringförmig positionierte und achsparallel zur Mittelachse des Brenners verlaufende Kühlgaszuführungen enthält, deren Kühlgasaustritte eine größere Fläche als die der Schutzgasdüse einbeziehen und, wobei die Kühlgasaustritte in Richtung der Werkstücke gesehen, vor der Austrittsöffnung der Schutzgasdüse des Brenners angeordnet sind.

Eine derartige Vorrichtung hat den Vorteil, dass keine komplizierten und extra zur Vermeidung von Umwelteinflüssen konzipierten geschlossenen Gehäuse im Bereich des Temperaturfeldes angebracht werden müssen, der Brenner selbst nicht aufwendig in seinem Innern mit Kühlkanälen versehen werden muss, der Arbeitsprozess besser kontrolliert werden kann sowie die Vorrichtung in ihrer einfachen Konzeption auch für Brenner des Handschweißens und thermischen Trennens nutzbar gemacht werden kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlgaszuführungen jeweils eine Heizspirale besitzen. Dadurch kann jede der Kühlgaszuführungen die Funktion des Vorwärmens oder Kühlens erfüllen. Mittels einer rechnergestützten Erfassung und Auswertung der Temperaturverhältnisse im Temperaturfeld können die Kühlgaszuführungen dadurch ausgewählt zugeschaltet werden, um zumindest ein, insbesondere metallisches, Werkstück beim thermischen Trennen, beim Auftragsschweißen bzw. beim partiellen Härten oder deren zwei bei einer Schweißverbindung/Lötverbindung an der Peripherie des Temperaturfeldes vorzuwärmen oder/und zu kühlen.

Erfindungsgemäß befinden sich die Kühlgaszuführungen in einem Gehäuse, das über achsparallel zur Mittelachse des Brenners verlaufende Rippen mit dem Brenner fest verbunden ist. Das Gehäuse ist der Form des Brenners angepasst und so ausgeführt, dass aufgrund seiner leichten Bauweise der Brenner neben seiner Verwendung bei Schweißrobotern auch zum Schweißen von Hand oder zum manuellen thermischen Trennen Anwendung finden kann.

Weiterhin ist die Distanz zwischen den Rippen so gewählt, dass zwischen diesen mindestens eine Kühlgaszuführung gelegt ist. Mit der Einsparung von Rippen, die nicht unbedingt für die Stabilität des erfindungsgemäßen Aufbaus des Gehäuses erforderlich sind, kann eine Gewichtsverminderung desselben erreicht werden, was vor allem bei einer Nutzung in manuellen Bearbeitungsverfahren wichtig ist. Die Kühlgaszuführungen, welche vom Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung umschlossen sind, weisen einen kreisförmigen oder mehreckigen Querschnitt auf. Die Entscheidung darüber wird anhand der vorhandenen Platzverhältnisse, insbesondere beim Einsatz des Brenners in Schweißrobotern getroffen.

In einer Variante der vorhergenannten Vorrichtung sind die Kühlgaszuführungen sichtbar mittels einem oder mehrerer Befestigungselemente an der Außenfläche des Brenners, parallel zu dessen Mittelachse, fest angebracht.

Dadurch erfolgt eine Reduzierung des Gewichtes des Brenners und es kann bei Servicearbeiten eine unkompliziertere Wartung durchgeführt werden.

Es ist in dieser gewichtsreduzierten Ausbildung außerdem vorteilhaft, dass die Kühlgaszuführungen in Richtung des Kühlgasaustrittes, wie im Ausführungsbeispiel Figur 4 dargestellt, ein vom Brenner weg nach außen schwenkbares Endstück aufweisen.

Damit kann das Temperaturfeld beim Schweißen, Löten, thermischen Trennen, Auftragsschweißen und beim partiellen Härten in Bezug auf das Erreichen einer Fläche zum Vorwärmen oder Kühlen, variabel vergrößert oder verkleinert werden.

Mit der Vorrichtung ist ein Verfahren für ein gesteuertes Kühlen und/oder Erwärmen metallischer Werkstücke im Temperaturfeld beim Schweißen, Löten, thermischen Trennen, Auftragsschweißen oder beim partiellen Härten realisierbar, indem eine sensorische Erfassung des Temperaturfeldes, mittels mindestens eines Pyrometers kontinuierlich vorgenommen und anschließend über Kühlgaszuführungen mit ihren Kühlgasaustritten nacheinander oder gleichzeitig ein Abkühlen und/oder Vorwärmen von Werkstücken I und/oder II im Bereich vom Temperaturfeld durchgeführt wird.

Eine derartige Maßnahme hat den Vorteil, dass der Wärmeeintrag in das Material des oder der Werkstücke zeitlich und lokal so gering wie möglich ist, so dass auch dünnwandige Teile nahezu ohne Verzug gefertigt werden können und das Vorwärmen und Abkühlen so effektiv, das heißt so lokal begrenzt wie möglich erfolgt, damit das Gefüge des bzw. der Werkstücke im Bereich des Temperaturfeldes nicht ungewollt verändert, das heißt ggf. aufgehärtet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Kühlgaszuführungen derart beaufschlagt, dass eine Schweißnaht bzw. Lötung oder eine Fuge eines thermischen Trennprozesses, eine Auftragsschweißung oder eine Härtespur über einzelne oder in einer Folge zu aktivierenden Kühlgaszuführungen mit ihren Kühlgasaustritten von einer in der Kühlgaszuführung befindlichen Heizspirale, vor diesem vorgewärmt und neben sowie hinter demselben die Schweißnaht/Lötung oder Fuge gekühlt wird, wobei beim Auftragsschweißen und beim partiellen Härten die Abkühlung in der Mehrzahl der Einsatzfälle nur von der Seite, die der Seite der Auftragsschweißung bzw. Laserhärtung gegenüber liegt, erfolgt.

Damit ist eine gezielte Vor- und Nachbehandlung des Materials von einem oder von zwei Werkstücken unmittelbar im Temperaturfeld bereits während eines Schweiß-/Löt-, Härte-, bzw. thermischen Trennprozesses gegeben.

Bei rohrförmigen Werkstücken kann die Abkühlung erfindungsgemäß auch innen geschehen, was besonders beim partiellen Härten, Auftragsschweißen und beim Mehrlagenschweißen eine sinnvolle Option ist.

Eine separate Kühlgaszuführung ermöglicht auch beim Induktiven Härten die Werkstoffoptimierte Verzugsminimierung durch die variable Kühlleistung dieser Erfindung.

Die Belange des Arbeitsschutzes sollten, wie in vielen Anwendungsfällen schon jetzt vorgesehen, durch eine ausreichende Gasabsaugung Berücksichtigung finden.

Weiterhin ist vorgesehen, dass zur Kühlung des Temperaturfeldes kryogenes Gas in der Mischung eines flüssigen und gasförmigen Anteils verwendet wird.

Dieses wird vorteilhafterweise in der gleichen Richtung wie ein z. B. bei einem Schweiß- prozess aus einer Schutzgasdüse strömendes Schutzgas in das Temperaturfeld eingebracht. Damit ist es möglich, die jeweilige Werkstoff- und verfahrensspezifische optimale Abkühlgeschwindigkeit nicht nur über die Durchflussmenge, sondern auch über die Temperatur des Kühlgases zu steuern.

Für das Vorwärmen kann, aus Kostengründen, in einer weiteren Ausführungsvariante Luft anstelle des kryogenen Gases verwendet werden.

Für ein kryogenes Gas soll beim Schweißen vorzugsweise Argon Verwendung finden.

Bei einem Schweißprozess kann, wenn eine Wurzellage geschweißt werden muss, zur Kühlung der Wurzel ein kryogenes Formiergas über Badsicherungsschienen, die mit Formiergasdüsen und einer Hauptkühldüse kombiniert sind, zugeführt werden. Dabei ist sowohl eine beidseitige Kühlung als auch eine ausschließliche Kühlung von der dem Lichtbogen/Plasmastrahl/Laser entgegengesetzten Seite möglich, was die Einsatzmöglichkeiten der Erfindung Werkstoff- und Verfahrensbedingt erweitert. Diese Verfahrensweise kann erfindungsgemäß neben dem Schweißen auch auf das Löten, thermische Trennen, Auftragsschweißen und das partielle Härten übertragen werden.

Schließlich ist verfahrensgemäß vorgesehen, dass beim Schweißen von Leichtmetall oder Leichtmetalllegierungen je nach Schweißgeschwindigkeit eine Vorwärmung mit heißer Luft von ca. 200 °C bis 600 °C erfolgt. Da wo es wirtschaftlich sinnvoller und Prozesstechnisch zulässig ist kann dies auch konventionell z. B. mittels Induktion oder Infraroterwärmung geschehen.

Es ist auch denkbar, Temperaturschock empfindliche Materialien, wie z. B. Aluminiumoxidkeramik, beim Schweißen verfahrensgemäß vorzuwärmen, zu schweißen und nachzuwärmen. Damit vermeidet man die Gefahr mechanischer Spannungen. Eine wärmeisolierende Unterlage ist hierbei zu verwenden.

Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem mit ihr realisierbaren Verfahren werden bei der Durchführung von thermischen Verbindungs- und Trennverfahren der Schweißtechnik, dem Auftragslöten und dem partiellen Härten in der Bearbeitung von Metallen, deren Legierungen und anderen schweißbaren Verbundwerkstoffen der konstruktive Aufwand zur Herstellung einer geeigneten Lösung gesenkt, bei gleichzeitiger Minimierung von Fertigungskosten.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es wird dazu auf die Figuren 1 bis 7 verwiesen.

Figur 1 Perspektivische Darstellung eines Brenners mit Temperaturfeldsteuerung, Figur 2 Draufsicht auf den Brenner von unten,

Figur 3 Erfindungsgemäßes Messen der Werkstücktemperatur in Prinzipdarstellung,

Figur 4 Seitenansicht der Kühlgaszuführungen des Brenners,

Figur 5 Schnitt A-A am Brenner mit Kühlgaszuführungen gemäß Figur 4,

Figur 6, 6b Vorder- und Seitenansicht des Brenners gemäß Figur 4 in Kombination mit

Formiergasdüsen und einer Hauptkühldüse sowie Figur 7 Draufsicht auf die Formiergasdüsen und die zentrale Hauptkühldüse.

Figur 8 Perspektivische Darstellung der Kühlgasführung bei rohrförmigen Werkstücken

- wobei das Kühlgas vom Spannfutter her zugeführt wird.

Figur 9 Perspektivische Darstellung der Kühlgasführung bei rohrförmigen Werkstücken - wobei das Kühlgas zum Spannfutter hin zugeführt wird.

Nach Figur 1 ist zu erkennen, dass ein Gehäuse 6 mit den von ihm ringförmig umfassten Kühlgaszuführungen 3 am Brenner 1 angeordnet ist. Dabei befindet sich eine Vielzahl von Kühlgasaustritten 4 nahe des Beginns der in Form eines Konus ausgebildeten Schutzgasdüse 5. Die Kühlgaszuführungen 3 sind durch Rippen 7 jeweils voneinander getrennt, wobei die Rippen 7 auch das Gehäuse 6 mit dem Brenner 1 verbinden.

Figur 2 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten Brenners 1 als Draufsicht von unten. Die Kühlgaszuführungen 3 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf, der jedoch entsprechend konstruktiver Erfordernisse, die die Ausbildung des Brenners 1 für ein manuelles oder automatisiertes Schweißen vorgeben, davon abweichen kann.

In Figur 3 ist prinzipiell das erfindungsgemäße Messen der Werkstücktemperatur beim Schweißen dargestellt. Die das auf den Werkstücken Ι,ΙΙ, 8, 9 entstehende Temperaturfeld 14 sondierenden Pyrometer 1 1 , 12 übermitteln ihre Daten einer rechnergestützten Temperaturfeldüberwachung, die veranlasst, dass die ringförmig vom Gehäuse 6 umfassten Kühlgaszuführungen 3 je nach gewünschter Kühlleistung durch unterschiedliche Beimengung von gasförmigem und/oder flüssigem Kühlgas und hinsichtlich des Kühlortes so angesteuert werden, dass das Temperaturfeld 14 nacheinander oder zeitgleich während des Vorschubes vom Brenner 1 vorgewärmt und/oder gekühlt wird. Dabei kann die Kühlleistung jeder Kühlgaszuführung 3 separat eingestellt werden. Die Gaszufuhr jeder Kühlgaszuführung 3 lässt sich darüber hinaus separat abschalten. Als Kühlgas wird beispielsweise das Edelgas Argon eingesetzt, wobei beim Vorwärmen auch Heißluft verwendet werden kann.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist die Kühlgaszuführung 3.1 im Betrieb entweder ausgeschaltet oder dient dem Vorwärmen, die Kühlgaszuführung 3.2 dient dem Kühlen oder dem Vorwärmen und die Kühlgaszuführung 3.3 ist beim Schweißen oft ausgeschaltet, beim Löten dient diese dagegen zum Kühlen. Mit Figur 4 wird gezeigt, wie in einer Variante der Vorrichtung die Kühlgaszuführungen 3 kreisförmig um den Brenner 1 angeordnet und mittels mehrerer Befestigungselemente 17 an ihm befestigt sind.

Der Schnitt A-A nach Figur 5 gibt an, dass die Kühlgaszuführungen 3 in gleichem Abstand zueinander, ringförmig um den Brenner 1 verteilt, angeordnet sind.

Die Endstücke 16 der Kühlgasführungen 3 sind in dieser Ausführungsform schwenkbar ausgebildet und können beispielsweise vom Brenner 1 weg nach außen geschwenkt werden, wodurch die zu kühlende bzw. die zu erwärmende Fläche verändert, hier vergrößert werden kann.

Gemäß Figur 6a und 6b wird prinzipiell in Vorder- und Seitenansicht dargestellt, wie mehrere Formiergasdüsen 18, zum Beispiel beim automatisierten Wurzelschweißen unterhalb der Wurzel 19 positioniert sind und somit in regelbarer Abstimmung mit den am Brenner 1 angebrachten Kühlgaszuführungen 3 eine beidseitige Kühlung der zu verbindenden Werkstücke I.II, 8,9 bewerkstelligt wird.

In Figur 7 ist dabei zu sehen, wie im Prinzip eine Vielzahl von kreisförmig angeordneten Formiergasdüsen 18 und eine zentral angeordnete Hauptkühldüse 20 unterhalb der geschweißten Wurzel 19 vorgesehen sind. Die Hauptkühldüse 20 kommt dabei erst nach Schließen der Wurzel 19 zum Einsatz.

In den Figuren 8 und 9 wird prinzipiell dargestellt, wie die Kühlgasführung für offene rohrförmige Werkstücke vorzugsweise gestaltet wird wenn die Abkühlung von innen erfolgen soll.

Die Vorteile der Erfindung werden zusammengefasst darin gesehen:

Eignung für eine Vielzahl von Werkzeugen des thermischen Schweißens, Trennens, Lötens, Auftragsschweißens und des partiellen Härtens.

Bereits während des thermischen Schweißens, Trennens, Lötens, Auftragsschweißens bzw. des partiellen Härtens ist ein Vorwärmen, Kühlen und ggf. Nachwärmen möglich. Vermeidung von Veränderungen des Materialgefüges im schweißnahtnahen Bereich und an den Flanken einer Trennfuge und keine Rückstände eines entsorgungs- pflichtigen Kühlmittels. Vermeidung von Härte- und Heißrissen, kleineres Temperaturfeld mit kleinerer Wärmeeinflusszone, Verkürzung der Schweißzeit bei Mehrlagenschweißungen, Erhöhung der Schweißnahtqualität (gesteuertes Kühlen).

Deutliche Verringerung des temperaturbedingten Werkstückverzuges und Einsparung teurer und Zeitintensiver Einspannungen und Unterfütterung mit Kupfer.

Vermeidung von Kaltrissen durch Verringerung des Temperaturgradienten. (Vorwärmen, ggf. auch Nachwärmen).

Bei Mehrlagenschweißungen Verkürzung der Schweißzeit, da nach dem Schweißen der Wurzelnaht und der ersten Decknaht, vor dem Schweißen der nächsten Zwischenlage nicht mehr gewartet werden muss bis die Naht sich abgekühlt hat. So wird derzeitig bei Duplexstählen die richtige Zwischenlagentemperatur erst nach ca. 15 Minuten erreicht. Die Abkühlung der Lötstellen verbessert die Metallstruktur der Lötstelle und durch deren schockartige Abkühlung wird deren Festigkeit oft durch die Entstehung eines feinkörnigeren Gefüges erhöht.

Wärmeeintrag auf das die Schnittfuge begrenzende Material und seine Begleitfolgen wie Verzug und Spannungen werden verringert, was einerseits die Qualität verbessert und andererseits kann ein kostengünstigeres Verfahren wie z. B. Plasmaschneiden statt Laserschneiden die geforderte Qualität gewährleisten und Fertigungskosten sparen.

Bezugszeichenliste

1 Brenner

2 Schweißelektrode

3, 3.1 , Kühlgaszuführung

3.2, 3.3 Kühlgaszuführung

4 Kühlgasaustritt

5 Schutzgasdüse

6 Gehäuse

7 Rippe

8 Werkstück I

9 Werkstück II

10 Laser/Brenner

1 1 Pyrometer

12 Pyrometer

13 Draht

14 Temperaturfeld

15 Heizspirale (nicht näher dargestellt in Kühlgaszuführungen 3 integriert)

16 Endstück, schwenkbar

17 Befestigungselement

18 Formiergasdüsen

19 Wurzel

20 Hauptkühldüse

21 Werkstückeinspannung, im Ausführungsbeispiel mit Dreibackenfutter