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Title:
METHOD AND DEVICE FOR THE CRACK-FREE WELDING, REPAIR WELDING, OR SURFACE WELDING OF MATERIALS PRONE TO FORMING HOT CRACKS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/046542
Kind Code:
A3
Abstract:
The invention relates to a method and a device for the crack-free welding, repair welding, or surface welding of metallic parts made of materials that are prone to forming hot cracks. Objects on which said method and device can be efficiently and advantageously used include all parts made of alloys that freeze in several phases and have a large freezing interval or alloys that contain alloying elements or impurity elements which form a low-melting eutectic mixture with one or more main alloying elements and are to be joined by means of a fusion welding process at high power density. In the method according to the invention, a temperature is locally applied in a following manner by two parallel or nearly parallel temperature fields which extend along the welding direction, are electromagnetically generated by means of a volume energy source inside the parts, both begin in front of the welding zone in the welding direction, and of which the maximum temperatures are reached outside the heat affected zone and behind the freezing zone in the welding direction. The depth of the temperature fields at the maximum temperature point is at least as low as the depth of the weld. The additional energy source in the device according to the invention is a volume energy source, is connected to the welding head, and follows the movement of the welding head.

Inventors:
BRENNER, Berndt (Ahornweg 24, Dresden, 01328, DE)
GÖBEL, Gunther (Lessingstrasse 7, Radeberg, 01454, DE)
Application Number:
EP2007/008786
Publication Date:
April 24, 2008
Filing Date:
October 10, 2007
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. (Hansastrasse 27c, München, 80686, DE)
BRENNER, Berndt (Ahornweg 24, Dresden, 01328, DE)
GÖBEL, Gunther (Lessingstrasse 7, Radeberg, 01454, DE)
International Classes:
C21D9/50; B23K9/23; B23K9/235; B23K15/00; B23K26/32; B23K26/42
Domestic Patent References:
WO2003031108A12003-04-17
Foreign References:
GB846597A1960-08-31
GB794001A1958-04-23
JPH10140252A1998-05-26
US20040050906A12004-03-18
GB2283448A1995-05-10
US3497662A1970-02-24
Other References:
PLOSHIKHIN V ET AL: "Intergrated Mechanical-Metallurgical Approach to Modelling of SolidificationCracking in Welds", HOT CRACKING PHENOMENA IN WELDS, XX, XX, vol. 244, 2005, pages 223 - 244, XP008086490
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe mittels eines Schweißverfahrens hoher Leistungsdichte und einer weiteren, mit der Schweißgeschwindigkeit in einem konstanten Abstand zur Schweißzone mitlaufenden örtlichen Temperaturbeaufschlagung, dadurch gekennzeichnet, dass die mitlaufende örtliche Temperaturbeaufschlagung durch zwei parallel oder nahezu parallel zur Schweißrichtung (8) verlaufende und sich zur Schweißrichtung (8) längs erstreckende elektromagnetisch, durch eine Volumenenergiequelle im Inneren der Bauteile 1 und 2 (1 , 2) (22) erzeugte Temperaturfelder (9, 10) erfolgt, die beide in Schweißrichtung (8) vor der Schweißzone (4) beginnen und deren Temperaturmaxima (13) sich außerhalb der Wärmeeinflusszone (14) und in Schweißrichtung (8) hinter der Erstarrungszone (6) befinden und die Tiefe der Temperaturfelder (9, 10) am Ort des Temperaturmaximums (13) mindestens die Schweißnahttiefe erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißverfahren hoher Leistungsdichte ein Laserstrahlschweißen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißverfahren hoher Leistungsdichte ein Plasma-, TIG-, oder WIG-Verfahren dient.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißverfahren hoher Leistungsdichte ein non-vac-Elektronenstrahlschweißverfahren Anwendung findet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche von 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfelder (9, 10) durch induktive Erwärmung erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche von 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfelder (9, 10) durch konduktive Erwärmung hervorgerufen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der beiden Temperaturfelder (9, 10), ihr Abstand und ihre Ausdehnung durch die Induktionsfrequenz,

die Länge und Abstand der beiden Induktoräste (18, 19), die Anbringung von Magnetfeldverstärkungselementen (21 ) und die induktive Leistung eingestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei symmetrischen Wärmeableitungsbedingungen der beiden Bauteile 1 und 2 (1 , 2) und bei gleichen Werkstoffen die beiden Temperaturfelder 1 und 2 (9, 10) symmetrisch zur Lage der Schweißnaht (7) angeordnet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 oderβ, dadurch gekennzeichnet, dass bei unterschiedlichen Werkstoffen und / oder unsymmetrischen Wärmeableitungsbedingungen der beiden Bauteile 1 und 2 (1 , 2) die beiden Temperaturfelder 1 und 2 (9, 10) in ihrer Ausdehnung, Tiefe und Höhe der Temperaturmaxima T ma> ,, bzw. T max2 unterschiedlich ausgebildet werden.

10. Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen, bestehend aus einer Schweißenergiequelle und einer Zusatzenergiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzenergiequelle eine Volumenenergiequelle (22) ist und diese mit dem Schweißkopf (23) verbunden ist und der Bewegung des Schweißkopfes (23) folgt.

1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenenergiequelle (22) zur Erzeugung der beiden Temperaturfelder (9, 10) durch einen Induktor (15) gebildet wird, der aus zwei Induktorästen 1 und 2 (18, 19) besteht, die längs oder nahezu längs der Schweißnaht (22) verlaufen und die eine Länge I 1 von 0,7 I SEZ = I 1 = 30 l SEZ und einen Abstand b, voneinander von 1 ,5 b sz = b, = 20 b sz haben.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Induktorverbindungsstück (20) der beiden Induktoräste 1 (18) und 2 (19) einen mindestens um den Faktor zehn größeren Kopplungsabstand z 3 als die Induktoräste 1 (18) bzw. 2 (19) aufweist.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Induktorästei (18) und 2 (19) dergestalt unterschiedlich aufgebaut sind, dass sie einen unterschiedlichen Querschnitt, Kopplungsabstand z, bzw. z 2 , eine unterschiedliche Länge I n bzw. I 0 aufweisen oder unterschiedlich lang mit Magnetfeldverstärkungselementen (21)

versehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenenergiequelle (22) durch mindestens 4 mit dem Schweißkopf mitlaufende Stromabnehmer (24, 25, 26, 27) gebildet wird, die sich in elektrisch leitendem Kontakt auf der Oberseite (28, 30) und der Unterseite (29, 31) der zu verschweißenden Bauteile 1 und 2 (1 , 2) außerhalb der Wärmeeinflusszone (14) und in Schweißrichtung (8) hinter der Erstarrungszone (6) befinden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Oberseiten (28, 30) der Bauteile 1 und 2 (1 , 2) befindlichen Stromabnehmer (24, 26) den auf den Unterseiten (29, 31) der Bauteile 1 und 2 (1, 2) angeordneten Stromabnehmern (25, 27) vorlaufend angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 9 verwendet wird.

Description:

Patentanmeldung:

Verfahren und Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe

Anmelderin: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf das Schweißen von metallischen Bauteilen aus heißrissanfälligen Werkstoffen. Objekte, bei denen ihre Anwendung zweckdienlich und vorteilhaft ist, sind alle Bauteile, die aus mehrphasig erstarrenden Legierungen mit einem breiten Erstarrungsintervall bestehen oder aus Legierungen aufgebaut sind, die Legierungselemente oder Verunreinigungselemente enthalten, die ein niedrig schmelzendes Eutektikum mit einem oder mehreren Hauptlegierungselementen bilden und die mittels Schmelzschweißverfahren hoher Leistungsdichte gefügt werden sollen. Solche Werkstoffe, die bisher nur unzureichend rissfrei geschweißt werden können, sind z. B. ferritische, ferritisch-perlitische oder austenitische Autornatenstähle, aushärtbare AI- Legierungen, heißrissgefährdete austenitische Stähle, Nickellegierungen u. s. w.. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für alle die Schweißaufgaben einsetzbar, bei denen aus verfahrenstechnischen, eigenschaftsmäßigen oder betriebswirtschaftlichen Gründen kein Schweißzusatzwerkstoff zur Sicherstellung der heißrissfreien Schweißbarkeit angewendet werden kann oder der Einsatz von Schweißzusatzwerkstoff nicht ausreicht, um die Heißrisse prozesssicher zu vermeiden.

Weitere potenzielle Einsatzfelder sind das Vermeiden von so genannten Mittelrippendefekten beim Laserstrahlschweißen von dickeren Blechen aus Baustählen, von Mittelrippenrissen in der Schweißzone von dünnen Blechen aus austenitischen Edelstahlen sowie von sehr steifen oder sehr hart eingespannten Bauteilen.

Darüber hinaus kann das Verfahren auch zur Vermeidung von Heißrissen im Schweißgut beim Reparatur- oder Auftragschweißen eingesetzt werden.

Stand der Technik:

Heißrisse sind ein schwerwiegendes schweißtechnisches Problem, das den Einsatz von wirtschaftlich wichtigen und einsatztechnisch vorteilhaften Legierungen in einer Reihe von Schweißkonstruktionen verhindert. Sie treten überwiegend in mehrphasig erstarrenden Legierungen, bei Legierungen mit Nebenlegierungs- oder Verunreinigungselementen, die ein niedrig schmelzendes Eutektikum mit einem oder mehreren Legierungselementen bilden, sowie in Fällen sehr schneller, in Richtung der Blechebene verlaufender Erstarrung oder bei sehr steifen Schweißnahtumgebungen auf.

Dem entsprechend umfangreich und vielfältig sind die Bemühungen und bisher bekannten Lösungsansätze, um das Problem der Heißrissigkeit zu lösen.

So versucht man z. B. durch die Verwendung von geeigneten Schweißzusatzwerkstoffen die metallurgischen Ursachen der Heißrissbildung - die Bildung niedrig-schmelzender Phasen oder von Korngrenzenfilmen - zu beseitigen. Dieses Verfahren ist jedoch trotz seiner breiten technischen Anwendung nicht in jedem Fall geeignet. So gibt es z. B. nicht für jede heißrissanfällige Legierung geeignet abgestimmte Schweißzusatzwerkstoffe. Darüber hinaus wird in der Regel der Schweißprozess teurer. Nachteilig kann sich weiterhin auswirken, dass bei höchstfesten Werkstoffen durch die Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen, die die Zusammensetzung des Schweißgutes in Richtung eutektische Erstarrung verschieben, die mechanische Belastbarkeit der Schweißnaht sinken kann. Weiterhin ist es generell unvorteilhaft, dass damit nicht die primäre Ursache der Heißrissbildung - das überschreiten von kritischen Zugdehnungen bzw. kritischen Dehnungsraten während der Erstarrung im Zweiphasengebiet - bekämpft wird.

Zur Vermeidung von kritischen Dehnungen und/oder Dehnungsraten während der Erstarrung im Zweiphasengebiet sind verschiedene Verfahren bekannt geworden. So wird z. B. in WO 03/031 108 (W. Kurz, J. -D. Wagniere, M. Rappaz, F. de Lima: " Process for Avoiding Cracking in Welding") ein Verfahren beschrieben, mit dessen Hilfe die beim Laserstrahlschweißen von AI-Legierungen auftretende Heißrissigkeit bekämpft wird, indem eine zweite Wärmequelle - vorzugsweise ein Laser - einer ersten Wärmequelle - vorzugsweise ebenfalls ein Laser - in einem konstanten Abstand folgt, die zweite Wärmequelle direkt auf die Erstarrungszone gerichtet ist und die Leistung der zweiten Wärmequelle so eingestellt wird, dass die lokale Abkühlrate oberflächennaher Bereiche der

Erstarrungszoπe reduziert wird oder diese sogar noch einmal lokal kurz erwärmt werden. Die zusätzliche nachlaufende Wärmequelle kann dabei aus einer Elektronenstrahl-, Laserstrahl-, Bogen- oder Plasmaquelle oder auch einer Kombination zweier Quellen bestehen und arbeitet mit einer geringeren Leistungsdichte als die erste Wärmequelle.

Unter Anwendung eines 1 ,7 kW CO 2 -Lasers als Schweißlaser und eines 1 ,2 kW gepulsten Nd:YAG- Lasers als zweite Wärmequelle konnten 1 ,0 mm dicke Bleche aus der AI-Legierung 6016 heißrissfrei im I-Stoß verschweißt werden. Die besten Resultate wurden erreicht, wenn bei einer Vorschubgeschwindigkeit von v s = 3,6 m/min der auf einen Fokusdurchmesser von d, = 0,6 mm fokussierte Nd:YAG-Laserstrahl in einem Abstand von 3 mm hinter dem Mittelpunkt des CO 2 -Laserstrahles angeordnet wurde. Durch den lokalen zweiten Energieeintrag mit einer Pulsenergie von 8 J, einer Pulsintensität von 30 W/cm 2 und einer Frequenz von 150 Hz wurde ein vergrößertes Schmelzbad und eine Reduzierung der lokalen Abschreckrate von 2600 K/s auf 1500 K/s erreicht. Als entscheidend für den Wirkmechanismus wird herausgestellt, dass der zweite Laserstrahl direkt auf die Erstarrungszone wirkt. Damit werden nach Erkenntnis der Erfinder folgende Effekte erreicht, die der Heißrissbildung entgegenwirken:

Verringerung des Temperaturgradienten und der Abkühlgeschwindigkeit an der Oberfläche der Erstarrungszone,

Vergrößerung der Zeitdauer, in der Schmelze in die Erstarrungszone nachgespeist werden kann,

Entstehung eines gleichachsigen Gefüges in der Mittelebene der Schweißzone

Der anwendungstechnische Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass damit nur dünne Bleche heißrissfrei geschweißt werden können. Die Ursache dafür liegt darin, dass die Laserenergie des zweiten Lasers nur an der Oberfläche absorbiert wird und die Wärmeeindringtiefe während der sehr kurzen Wechselwirkungszeit des Laserstrahles mit der Oberfläche der Erstarrungszone von

maximal δt = — = — '- min = 0,01 s nur sehr klein ist. Deshalb ist die Tiefe der Zone mit v 5 3600 mm verringerter Abkühlgeschwindigkeit sehr klein. ähnlich verhält es sich bei der Anwendung der anderen beanspruchten Energiequellen für die zweite Wärmequelle. Die Tiefe der Zone mit verringerter Abkühlgeschwindigkeit wird noch kleiner, wenn Stähle mit ihrer viel geringeren Wärmeleitfähigkeit nach diesem Verfahren verschweißt werden sollen.

In Analogie zu dieser oben aufgeführten Losung des Standes der Technik ist gleichfalls für das heißπssfreie Verschweißen von dünnen AI-Blechen bekannt geworden (siehe z B V Ploshikhm, A Pπkhodovsky, M Makhutm, A Ihn, H -W Zoch " Integrated Mechanical-Metallurgical Approach to Modelling of Solidification Cracking in Welds" in Th Bollinghaus, H Herold (Hrsg ) Hot Cracking Phenomena in Welds, Springer Verlag 2005, ISBN 3-540-22332-0, Seiten 223-244), neben dem stark fokussierten Laserstrahl zum Schweißen einen zweiten defokussierten Laserstrahl anzuordnen und diesen parallel zum ersten Laserstrahl und mit der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen Ein einseitig fest eingespanntes 2,0 mm dickes AI-Blech der Legierung AA6056 wurde dabei mit einer Laserleistung von 1 ,8 kW und einer Vorschubgeschwindigkeit von 2,8 m/mιn verschweißt Bei einem Abstand der Schweißnaht von ca 25 mm vom seitlichen Probenrand tritt nach dem Schweißen durch längs verlaufende Heißrisse eine komplette Probentrennung ein Wird mit dem zweiten Laser, der sich in einem Abstand von ca 20 mm neben der Schweißnaht an der freien, nicht eingespannten Blechseite befindet, das Blech mitlaufend mit einer Laserleistung von 750 W lokal erwärmt, lassen sich Heißrisse vermeiden

Auch bei dieser Losung wirkt sich nachteilig aus, dass das Verfahren nur für dünne Bleche geeignet ist Die Ursache für diesen Mangel ist ebenso wie im o a ersten Beispiel dass auch bei diesem Verfahren der Laser nur als Oberflachenenergiequelle wirkt Darüber hinaus ist auch diese Losung zur Rissvermeidung für viele praktische Anwendungsfalle zu teuer Die Ursache hegt darin, dass auch für die zweite Wärmequelle ein teurer Laser verwendet werden muss

Aus dem Bereich des Elektronenstrahlschweißens ist bekannt geworden (siehe GB 2 283 448 A, Th K Johnson, Al L Pratt " Improvements in or relating to electron beam welding") Risse in der Warmeemflusszone zu verhindern, indem das Schweißen und eine Erwärmung der Schweißnahtumgebung quasi simultan durch den gleichen Elektronenstrahl bewerkstelligt wird, indem in sehr schneller Folge der fokussierte Elektronenstrahl pulsformig mit einer hohen Leistungsdichte schweißt und dann zur Wärmebehandlung defokussiert und ausgelenkt wird Dadurch können die Oberflachentemperaturen vor, neben und hinter der Schweißzone gezielt eingestellt werden

Auch hier wirkt sich nachteilig aus, dass die Energiequelle zur Erzeugung der sekundären Temperaturfelder eine Oberflachenenergiequelle darstellt, deren Wirksamkeit nicht weit genug in das Material hineinreicht, um für den Fall der Vermeidung von Heißrissen in der Schweißzone auch bei tieferen Schweißnahten und Werkstoffen schlechterer Wärmeleitfähigkeit ausreichend wirksam zu

sein. Die Ursache dafür liegt wieder darin, dass die Energie des Elektronenstrahles vollständig in den obersten Randschichten absorbiert wird und sich, in Relation zur hohen Schweißgeschwindigkeit der Strahlschweißverfahren zu langsam in die Tiefe ausbreitet. Wenn dagegen die Positionen der zur Wärmebehandlung mit dem Elektronenstrahl beaufschlagten Gebiete so weit vor die Schweißposition gelegt werden, dass das zusätzliche Temperaturfeld in der Position der Schweißzone auch die Nahtwurzel erreicht, dann wirkt das Temperaturfeld nicht mehr lokal, sondern mehr wie eine allgemeine homogene Vorwärmung. Aus eigenen Experimenten ist jedoch bekannt, dass eine homogene Vorwärmung zur Heißrissvermeidung nicht ausreichend effektiv ist. Darüber hinaus ist es nachteilig, dass diese Methode nur für das Elektronenstrahlschweißen unter Vakuum genutzt werden kann.

Das Ziel der Erfindung ist es daher, ein neues und effektives Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe anzugeben, das auch für größere Schweißnahttiefen und größere Blechdicken geeignet, für mehrere - auch insbesondere an Atmosphäre einsetzbare - Schweißverfahren nutzbar, für eine breitere Palette metallischer Werkstoffe und dabei besonders auch solche mit schlechter Wärmeleitfähigkeit einsetzbar ist und sich darüber hinaus deutlich kostengünstiger darstellen lässt als der bekannte Stand der Technik.

Aufgabenstellung:

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren und eine dafür nutzbare Vorrichtung anzugeben, die es gestattet, in der Erstarrungszone die während der Abkühlung im Temperaturintervall der Sprödigkeit auftretenden Zugdehnungen zu vermeiden oder zumindest auf ein unschädliches Niveau herabzudrücken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein neues Verfahren zum rissfreien Schweißen, Reparaturschweißen oder Auftragschweißen heißrissanfälliger Werkstoffe, wie in Anspruch 1 beschrieben, sowie einer entsprechenden Vorrichtung, wie in Anspruch 10 angegeben, gelöst.

Entsprechend Anspruch 1 besteht die erfindungsgemäße Lösung für Schweißverfahren mit hoher Leistungsdichte darin, dass als Zusatzenergiequelle anstelle der nach dem Stand der Technik verwendeten Oberflächenenergiequellen elektromagnetische Volumenquellen dergestalt verwendet werden, dass sie im Inneren des Bauteils zwei speziell ausgebildete, mit der Schweißzone mit-

laufende inhomogene Temperaturfelder erzeugen, die beidseitig parallel oder nahezu parallel zur Schweißrichtung verlaufen und sich längs zur Schweißrichtung erstrecken. Die beiden Temperaturfelder beginnen dabei in der Schweißrichtung betrachtet vor der Schweißzone. Ihre Temperatur- maxima befinden sich außerhalb der Wärmeeinflusszone und in Schweißrichtung hinter der Erstarrungszone der Schweißnaht wobei ihre Tiefe am Ort des Temperaturmaximums mindestens die Schweißnahttiefe erreicht.

In den Ansprüchen 2 bis 4 werden Schweißverfahren angegeben für die das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann.

Der Erfindungsgedanke ist nicht nur darauf beschränkt, dass so wie in Anspruch 2 ausgeführt, das Schweißverfahren hoher Leistungsdichte ein Laserstrahlschweißverfahren ist. Genauso gut können, wie in den Ansprüchen 3 und 4 angegeben, auch Plasma-, TIG-, WIG- oder Non-vac-Elektronen- strahlschweißanlagen verwendet werden.

Anspruch 5 beinhaltet eine besonders vorteilhafte Variante zur Erzeugung der zusätzlichen Temperaturfelder mittels einer induktiven Erwärmung. Wie in Anspruch 6 ausgeführt, kann das erfindungsgemäße Temperaturfeld aber auch mit einer konduktiven Erwärmung erzeugt werden.

Im Anspruch 7 werden Verfahrenseinflussgrößen zur Einstellung der Tiefe und Ausdehnung der zusätzlichen Temperaturfelder mittels der Wahl der Induktionsfrequenz, der Länge, Form und Ausdehnung der beiden Induktoräste, der Anbringung von Feldverstärkungselementen und der Induktionsfrequenz angegeben.

Die Ansprüche 8 und 9 geben Hinweise zur Ausgestaltung der Temperaturfelder in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie und im Falle der Verwendung unterschiedlicher miteinander zu verschweißender Werkstoffe.

Der Vorrichtungsanspruch 10 führt aus, dass die Zusatzenergiequelle eine Volumenquelle ist, die mit dem Schweißkopf dergestalt verbunden ist, dass sie der Bewegung des Schweißkopfes mit der gleichen Geschwindigkeit folgt. In Anspruch 16 wird dargelegt, dass die Vorrichtung vorteilhaft zur Durchführung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 9 eingesetzt werden kann.

Die Ansprüche 1 1 bis 13 bilden den Erfindungsgedanken für den Fall weiter aus, dass die Zusatzenergiequelle ein Induktor ist. Eine dazu alternative Lösung durch die Nutzung einer konduktiven Erwärmung wird in den Ansprüchen 14 und 1 5 näher ausgeführt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen gegenüber dem Stand der Technik darin, dass sie geeignet ist, sehr kritische und stark heißrissempfindliche Werkstoffe heißrissfrei zu schweißen, eine größere Flexibilität in der Gestaltung der zusätzlichen zielgerichteten Beeinflussung des Dehnungszustandes in der Erstarrungszone im Temperaturbereich der Heißrissigkeit aufweist, für größerer Schweißnahttiefen, Blechdicken sowie auch für sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten geeignet ist, gestattet, eine breitere Palette heißrissanfälliger Werkstoffe ohne die Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen heißrissfrei zu schweißen, auch für metallische Werkstoffe mit sehr schlechter Wärmeleitfähigkeit einsetzbar ist, deutlich kostengünstiger als die nach dem Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen zur Heißrissvermeidung durch Zusatzenergiequellen wie Laser oder Elektronenstrahl ist.

Bezuqszeichenliste

zu verschweißendes Bauteil 1 zu verschweißendes Bauteil 2

Energiestrahl des Schweißverfahrens

Schweißzone

Keyhole

Erstarrungszone erstarrte Schweißraupe, Schweißnaht

Schweißrichtung SR

Temperaturfeld 1 0 Temperaturfeld 2 1 Isothermen der Temperaturfelder 2 Schweißnahttiefe t s 3 Temperaturmaximum des elektromagnetisch erzeugten Temperaturfeldes 3' Temperaturmaximum Tmaxi des Temperaturfeldes 1 (9) 3" Temperaturmaximum Tmax2 des Temperaturfeldes 2 (10) 4 Wärmeeinflusszone WEZ 5 Induktor 6 Stromzuführung 7 Stromabführung 8 Induktorast 1 9 Induktorast 2 0 Induktorverbindungsstück 1 Magnetfeldverstärkungselemente

Volumenenergiequelle, Zusatzenergiequelle Schweißkopf Stromabnehmer auf Oberseite des Bauteils 1 Stromabnehmer auf Unterseite des Bauteils 1 Stromabnehmer auf Oberseite des Bauteils 2 Stromabnehmer auf Unterseite des Bauteils 2 Oberseite des Bauteils 1 Unterseite des Bauteils 1 Oberseite des Bauteils 2 Unterseite des Bauteils 2 Schweißenergiequelle Fügeebene Strompfad

a x - Abstand zwischen Beginn der Temperaturfelder 1 und 2 und dem Mittelpunkt der

Schweißzone (4); a x zählt positiv wenn die Schweißzone vorläuft b, - geringster Abstand zwischen Induktorast 1 (18) und Induktorast 2 (19) b sz - Breite der Schweißzone (4) an der Oberseite der Bauteile 1 und 2 (1 , 2) b x - Abstand zwischen Mittelpunkt der Schweißzone (4) und dem Ende der

Erstarrungszone (6)

C x - Abstand zwischen Ende der Erstarrungszone (6) und dem Temperaturmaximum

(13) der Temperaturfelder 1 bzw. 2 (9, 10) d - Blechdicke d f Fokusdurchmesser des Laserstrahles

I 1 - Länge des Induktoräste

1, 1 , 2 - Länge des Induktorastes 1 (18) bzw. 2 (19)

I SEZ - Länge von Schweißzone (4) und Erstarrungszone (6) in Schweißrichtung SR t s - Schweißnahttiefe (12) v s - Vorschubgeschwindigkeit, Schweißgeschwindigkeit x - Koordinate längs zur Schweißrichtung (8) y - Koordinate quer zur Schweißrichtung (8) z n, 2 , 3 - Kopplungsabstand, d. h. Abstand der beiden Induktoräste 1 (18) bzw. 2 (19) bzw. des Induktorverbindungsstückes (20) zum Bauteil 1 (1 ) bzw. 2 (2)

RT - Raumtemperatur

SR - Schweißrichtung j E m z ax . Temperaturmaximum in der Erstarrungszone (6)

" L ax i. 2 - Temperaturmaximum der Temperaturfelder 1 und 2 (9, 10) T pre - Temperatur in der Fügelinie direkt vor der Schweißzone (4)

Tp 0St nnax. Temperatur in der Schweißnaht (7) nach der Schweißzone (4) unter einem symmetrisch über der Schweißnaht angeordneten Induktor

WEZ - Wärmeeinflusszone

δT i s - Temperaturintervall der Sprödigkeit

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird an den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigt

Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Anordnung von Schweißenergiequelle und

Zusatzenergiequelle

Fig. 2a: eine erfindungsgemäße Temperaturfeldausbildung zur Vermeidung der Heißrissbildung

Fig. 2b: einen Längsschnitt AA durch eines der beiden durch die Zusatzenergiequelle erzeugten Temperaturfelder sowie einen zughörigen Längsschnitt BB entlang der Symmetrielinie der Schweißnaht

Fig. 2c: einen Querschnitt CC durch die Schweißnaht und die überlagerten

Temperaturfelder von Schweißenergiequelle und Zusatzenergiequelle in einer Ebene durch die Erstarrungszone

Fig. 3: Heißrisse in Quer- und Längsschliffen einer laserstrahlgeschweißten Naht

Fig. 4: erfindungsgemäß erzeugte heißrissfreie Schweißnaht

Fig. 5: Reduzierung der Neigung zur Heißrissbildung in Abhängigkeit von der Temperatur in der Nähe der Schweißzone (T pre - Temperatur in der Fügelinie vor der Schweißzone (4), T post - Temperatur in der Schweißnaht (7) nach der Schweißzone (4)) für verschiedene Zusatzenergiequellen: homogene Vorwärmung der gesamten Probe im Ofen; Linieninduktor symmetrisch über der Fügelinie direkt vor der Schweißzone (4), Linieninduktor über der Schweißnaht (7) direkt nach der Erstarrungszone (6); erfindungsgemäße Induktoranordnung

Fig. 6 erfindungsgemäße Anordnung von Schweißenergiequelle sowie

Volumenenergiequelle in Form einer konduktiv wirksamen Zusatzenergiequelle

Beispiel 1 :

Die erfinderische Lösung soll anhand des prinzipiellen Aufbaues der Vorrichtung und der generellen Verfahrensschritte erläutert werden.

Zwei Bleche (1 , 2) aus einem heißrissempfindlichen Werkstoff sollen durch einen I-Stoß schweißtechnisch miteinander verbunden werden (siehe Fig. 1). Als Schweißenergiequelle (32) kann ein CO 2 -Laser, ein Nd:YAG-Laser, ein Faserlaser, ein Hochleistungsdiodenlaser, eine nonvac- Elektronenstrahlkanone oder ein Plasmaschweißbrenner verwendet werden. Mit dem Schweißkopf (23) fest verbunden ist eine Volumenenergiequelle (22) als Zusatzenergiequelle. Dazu können eine induktive oder eine konduktive Energieeinkopplung verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel wird eine induktive Energieeinkopplung mittels eines Mittelfrequenzgenerators gewählt. Die Zusatzenergiequelle besteht in diesem Fall aus einem Induktor (15), der aus zwei parallel zur Schweißnaht (7) angeordneten Induktorästen 1 und 2 (18, 19), einem Induktorverbindungsstück (20), sowie der Stromzuführung (16) und der Stromabführung (17) aufgebaut ist. Zur Erhöhung der Energieübertragungseffizienz sowie der Variation der Position, Höhe und Ausdehnung der Temperaturfeldmaxima T maxl (13') und T max2 (13") können sich auf einem oder beiden Induktorästen 1 bzw. 2 (18 bzw. 19) Magnetfeldverstärkungselemente (21 ) befinden. Nach dem Einschalten der Zusatzenergiequelle (22) und der Schweißenergiequelle (32) wird der Schweißprozess gestartet. Im allgemeinen bewegt sich die Zusatzenergiequelle (22) mit der gleichen Vorschubgeschwindigkeit v s wie die Schweißenergiequelle (32). Während der Bewegung erzeugt die Zusatzenergiequelle (22) zwei zusätzliche Temperaturfelder 1 und 2 (9, 10), siehe Fig. 2a. Sie befinden sich beidseitig der Schweißnaht (7) und erstrecken sich von einer Position vor der Schweißzone (4) bis mindestens hinter die Erstarrungszone (6). Die Temperaturfeldmaxima T maxl und T max2 (13', 13") der beiden Temperaturfelder (9, 10) befinden sich in Schweißrichtung SR (8) hinter der Erstarrungszone (6) und außerhalb der Wärmeeinflusszone (siehe Fig. 2b und Fig. 2c). Die Lage der Temperaturfeldmaxima T max1 und T max2 (13', 13") wird quer zur Schweißrichtung SR (8) durch den Abstand der beiden Induktoräste (18, 19), und längs der Schweißrichtung SR (8) durch die Positionierung des Induktors (1 5) relativ zum Energiestrahl des Schweißverfahrens (3), die Länge und Form der Induktoräste (18, 19), die Anbringung , Ausbildung und Positionierung von Magnetfeldverstärkungselementen (21) und den Kopplungsabstand zwischen Bauteil (1 , 2) und den Induktorästen (18, 19) eingestellt. Die Höhe der Temperaturmaxima T max1 und T max2 (1 3', 13") wird durch die Wahl des Induktorstromes vorgegeben.

Im allgemeinen Fall gekrümmter Schweißnähte (7), unterschiedlicher Blechdicken oder unterschiedlicher Werkstoffe der beiden zu verschweißenden Bauteile 1 und 2 (1 , 2) brauchen die Temperaturfelder (9 und 10) sowie die Höhe der Temperaturfeldmaxima T max , und T max2 (13', 13") nicht notwendiger Weise gleich sein und völlig symmetrisch zur Schweißnaht (7) liegen. Die Induktionsfrequenz wird in Abhängigkeit von der Blechdicke und den elektromagnetischen Eigenschaften der Werkstoffe so gewählt, dass die Tiefe der Temperaturfelder (9, 10) am Ort der Temperaturfeldmaxima T max1 und T max2 (1 3', 13") mindestens die Schweißnahttiefe t s (12) erreicht (siehe auch Fig. 2b und 2c).

Beispiel 2:

Automatenstähle besitzen zur Verbesserung der Zerspanbarkeit und der Bildung kurz brechender Drehspäne einen erhöhten Schwefelgehalt. Dieser Schwefel bildet beim Aufschmelzen mit dem Eisen niedrig schmelzende Eutektika, die beim Schweißen zu einer Heißrissbildung führen. Automatenstähle gelten deshalb als nicht schweißbar. In verstärktem Maße trifft das auf die vergütbaren Automatenstähle zu, die zur Sicherstellung ihrer Härtbarkeit zusätzlich einen Kohlenstoffgehalt größer als etwa 0,3 % aufweisen. Obwohl die erfindungsgemäße Vorgehensweise vorteilhaft auch auf andere heißrissgefährdete Werkstoffe wie z. B. austenitische Stähle, AI- Legierungen und Ni-Legierungen angewendet werden kann, soll wegen der besonderen Schwierigkeit und des Fehlens von geeigneten alternativen Lösungen, wie z. B. heißrissvermeidende Schweißzusatzwerkstoffe, die Eignung des Verfahrens am Beispiel von vergütbaren Automatenstählen nachgewiesen werden.

Zwei 250 mm lange, 100 mm breite und 6 mm dicke Platten aus dem vergütbaren Automatenstahl 45S20 (chemische Zusammensetzung: ca. 98 % Fe; 0,43 % C; 0,201 % S; 0,25 % Si; 0,94 % Mn; 0,018 % P) sollen anϊhrer Längsseite mittels Laserstrahlschweißen gefügt werden. Zum Laserstrahlschweißen wird als Schweißenergiequelle (32) ein quergeströmter 6 kW-CO 2 -Laser verwendet. Die Laserstrahlleistung wird auf 5,5 kW eingestellt. Die Schweißgeschwindigkeit v s beträgt v s = 1 ,5 m/min. Als Schutzgas wird Helium in einer Menge von 1 5 l/min mittels einer schleppenden Düsenanordnung zugeführt.

Obwohl die Schweißnaht gut ausgebildet ist, weist sie, wie Quer- und Längsschliff zeigen (siehe Fig. 3), eine Vielzahl von quer und längs liegenden Heißrissen auf, die die Verwendung solcherart hergestellter Platten unmöglich machen.

Zur Vermeidung der Heißrissigkeit wird als Zusatzenergiequelle (22) eine induktive Energiequelle verwendet. Der Induktionsgenerator hat eine Frequenz von 9 kHz. Der doppelarmige Induktor (schematische Darstellung in Fig. 1) besteht aus zwei geraden Induktorästen 1 und 2 (18, 19) mit einem Querschnitt von 8 x8 mm 2 . Beide Induktoräste (18, 19) sind I 1 = I 11 = I 12 = 60 mm lang, haben einen Abstand von b, = 20 mm und werden antiparallel vom Strom durchflössen. Der Kopplungsabstand beträgt 2,0 mm und ist über die gesamt Induktorlänge konstant. Die Magnetfeldverstärkungselemente (21) für beide Induktoräste (18, 19) bestehen aus U-förmig

ausgearbeiteten, 44 mm langen Fluxtrol ® - Stücken.

Der Induktor wird mittig zur Schweißnaht (7) positioniert. Als Abstand a x zwischen dem Beginn der Temperaturfelder 1 und 2 (18, 19) und dem Mittelpunkt der Schweißzone (4), näherungsweise gemessen als geringsten Abstand zwischen der Mittellinie des Energiestrahles des Schweißverfahrens (3) und der Verbindungslinie zwischen den beiden vorderen Kanten der Induktoräste 1 und 2 (18, 19) wird ein Wert a x « 20 mm gewählt. Die induktive Leistung wird auf eine Effektiv-Leistungsanzeige am Induktionsgenerator von 20 kW eingestellt.

Die Länge I SEZ der Schweißzone (4) und der Erstarrungszone (6) beläuft sich auf I SEZ « 22 mm. Zur Durchführung der Schweißungen werden die gleichen Schweißparameter wie bei den Schweißungen ohne Zusatzenergiequelle eingestellt. Der Induktor (15) wird simultan mit dem Schweißkopf (23) bewegt. Beim Erreichen der Startposition wird der Induktor (15) und zeitverzögert der Laserstrahl eingeschaltet.

Mit diesen Einstellparametern wird ein Temperaturmaximum T max = T maxl = T max2 = 850°C erreicht . Die Temperaturmaxima T max1 und T max2 liegen etwa b x + C x « 32 mm hinter der Position des Mittelpunktes des Energiestrahles des Schweißverfahrens (3). Der Abstand b x zwischen dem Mittelpunkt der Schweißzone (4) und dem Ende der Erstarrungszone (6) beträgt etwa b x « 20 mm. Damit gilt für die gewählte Länge der Induktoräste I 1 , = I 12 « 3 * I SEZ und für den Abstand b, zwischen den Induktorästen b, ~ 5 * b sz .

Fig. 4 zeigt einen Querschliff und einen Längsschliff einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißnaht. Die Naht ist völlig rissfrei. Die Rissfreiheit geht einher mit einer drastischen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der geschweißten Platten. So wird die Zugfestigkeit der Schweißnaht im Querzugversuch von 281 MPa auf 535 MPa angehoben. Gleichzeitig steigt der Wert der Wechselfestigkeit im Zugschwellversuch (R = 0) von ca. 40 MPa auf ca. 130 MPa.

Die Ursache für die Vermeidung der Heißrissbildung besteht darin, dass es während der Erstarrung und Abkühlung der Schweißnaht zumindest im heißrisskritischen Temperaturintervall δT, S gelingt, die thermischen Schrumpfungen der Schweißnaht (7) durch die thermischen Volumenzuwächse der beiden durch die Volumenenergiequelle (22) erzeugten Temperaturfelder (9, 10) ausreichend zu kompensieren. Dass wirklich dieser Effekt dafür verantwortlich ist und nicht ein Eingriff in die

Abkühlgeschwindigkeit oder die Gefügeumwandlung in der Schweißnaht, wird in Fig. 5 bewiesen. Mit dem gleichen Werkstoff, Probenabmessungen, Schweißparametern wurden auch die Auswirkungen homogener zusätzlicher Temperaturfelder (Probenerwärmung im Ofen) sowie symmetrischer lokaler Temperaturfelder mit einem Temperaturmaximum in der Fügeebene (33) oder der Schweißnaht (7) direkt vor der Schweißzone (4) oder hinter der Erstarrungszone (6) untersucht. Als Maß für die Rissbildungsneigung wurde der Wert des relativen Ultraschallechos verwendet. Eine abnehmende Rissanzahl korreliert mit einer Zunahme des Wertes des relativen Ultraschallechos; ab einem Wert von 85 % sind die Proben rissfrei. Aus Fig. 5 ist zu entnehmen, dass ein induktives Nachwärmen erwartungsgemäß überhaupt keinen Einfluss auf die Vermeidung von Heißrissen hat und dass weder mit einer Ofenvorwärmung noch mit einer induktiven Vorwärmung mit einem Temperaturmaximum in der Fügeebene (33) rissfreie Zustände erreicht werden können. Da mit den alternativ getesteten zusätzlichen Temperaturfeldern die Abschreckgeschwindigkeit, die lokale Temperatur in der Umgebung der Schweißzone und die Gefügeumwandlungen in einem ähnlichen Wertebereich jedoch ohne einen entscheidenden Einfluss auf die Rissvermeidung geändert werden konnten wie bei der erfindungsgemäßen Lösung, ist nachgewiesen, dass die Absenkung der thermischen Zugdehnungen in der Erstarrungszone entscheidend ist.

Beispiel 3:

Rohrförmige Teile aus einem heißrissanfälligen austenitischen rostfreien Stahl sollen durch Laserstrahlschweißen verbunden werden. Das konventionelle Laserstrahlschweißen lässt eine sichere Heißrissvermeidung nicht zu.

Die Rohrwandstärke beträgt 6 mm. Da die induktive Energieeinkopplung in den austenitischen Werkstoff nicht so effektiv möglich ist wie in ein ferritisches Material, aber andererseits der elektrische Widerstand und die erzeugbare Joule'sche Wärme relativ groß sind, bietet sich für diesen Fall eine konduktiv wirkende Zusatzenergiequelle als Volumenenergiequelle an. Dazu werden, wie in Fig. 6 dargestellt, zwei rollenförmige Stromabnehmer (24, 25), die mit dem Schweißkopf mechanisch verbunden sind und aus einer Kupferlegierung bestehen federnd gegen die Oberfläche der Bauteile 1 und 2 gepresst. In Vorschubrichtung (8) gesehen, befinden sich die beiden Stromabnehmer (24, 25) ca. 3 mm vor der Mittellinie des Laserstrahles (3). Die beiden unteren Stromabnehmer (26, 27) befinden sich ca. 5 mm hinter der Position der beiden oberen Stromabnehmer (24, 25).

Vor dem Start des Schweißprozesses wird der konduktive Stromfluss durch die Stromabnehmer (24-26 bzw. 25-27) und die Bauteile (1) und (2) gestartet. Entlang des etwa schlauchförmigen Strompfades werden durch die Joule'sche Wärme zwei die Blechdicke d durchgreifende und geneigt zur Oberfläche liegende Temperaturfelder erzeugt, die zu einer thermischen Ausdehnung der erwärmten Volumina der Bauteile (1 ) und (2) führen. Wenn die gewünschte Solltemperatur erreicht ist, wird der als Schweißenergiequelle (32) verwendete Laser zugeschaltet und der Vorschub mit der Geschwindigkeit v s gestartet. Die beiden so erzeugten Temperaturfelder (9, 10) führen zu einer Abminderung der Zugdehnungen in der Erstarrungszone (7) während des Durchschreitens des Temperaturintervalls der Sprödigkeit δT !5 und gestatten damit ein heißrissfreies Schweißen.