Technisches Gebiet

[001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Schweißtechnik und betrifft ein Schweißverfahren und eine entsprechende Vorrichtung als Badstütze

[002] Die Erfindung betriff insbesondere das Fügen mittels Lichtbogenschweißen

- von metallischen Werkstoffen einer Stärke von 5 - 120 mm, insbesondere von 10 bis 50 mm;

- von Rohren und/oder von Behältern einer Wandstärke eines metallischen Werkstoffes von 5 - 120 mm, insbesondere von 10 bis 50 mm.

Vorbekannter Stand der Technik

[003] Der Einsatz von elektromagnetischen Badstützen ist für das Laserstrahlschweißen und in Kombination mit einem Lichtbogenschweißverfahren als hybrides Schweißverfahren bekannt. Für das reine Lichtbogenschweißverfahren ist eine magnetbasierte Badstütze nicht bekannt. Jedoch liegt die Frequenz des zu deren Betrieb eingesetzten Wechselfeldes typischerweise oberhalb von 1 kHz, um eine Eindringtiefe des Magnetfeldes und der induzierten Ströme gering zu halten, damit der Lichtbogen an der Oberfläche durch die Magnetfelder und die induzierten Ströme nicht beeinflusst wird. Hohe Frequenzen (z.B. oberhalb 1 kHz) dringen jedoch nicht ausreichend tief in ein Schmelzbad ein (Skinschichttheorie), sodass der elektromagnetisch erzeugte Druck vergleichsweise gering, und die Stützwirkung deshalb unzureichend ist.

Problemstellung

[004] Vor diesem Hintergrund müssen bei höheren Frequenzen höhere Magnetleistungen an der Wurzel eingebracht werden, um eine Kompensation des hydrostatischen Drucks der Schmelze zu erzielen. Mit dem vorgeschlagenen Lichtbogenschweißverfahren und der im Zusammenhang damit beschriebenen elektromagnetischen Badstütze soll eine Steigerung der Tiefenwirkung des elektromagnetischen Wechselfeldes und der durch dieses induzierten Lorentzkraft in einem Schmelzbad erzielt werden. Das Schmelzbad wird in einem Fügespalt zwischen benachbarten Fügepartnern lediglich durch Kapillarkräfte bzw. Oberflächenspannung gehalten und neigt deshalb zur Tropfenbildung. Erfindungsgemäß soll die Zuverlässigkeit des Erhalts normgerechter Schweißnähte für Materialstärken von 5 mm bis 30 mm und dementsprechend tiefe Schmelzbäder gesteigert werden.

[005] Anwendungen betreffen vorrangig den Schiffbau, die Kraftwerks- und Industrieanlagentechnik, Bau von Türmen und Strukturen für die Windenergieanlagen sowie, beispielsweise, den Fernleitungsbau und Rohrbau.

Erfindungsgemäße Lösung

[006] Die sich hieraus ergebende(n) Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 . Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüchen.

[007] Überraschend erwies sich, dass mit Freguenzen weit unterhalb der typischerweise mit vorbekannten elektromagnetischen Badstützen genutzten, eine negative Beeinflussung des Lichtbogens durch externe Magnetfelder und der induzierten Ströme nicht stattfindet. Die bisherigen Lösungen basierten auf Strahlschweißverfahren bzw. einer Kopplung mit dem Lichtbogenschweißverfahren. Es wurden gezielt hohe Freguenzen oberhalb von 1 kHz gewählt, um den Lichtbogen an der Oberfläche nicht negativ zu beeinflussen bzw. abzulenken. Allerdings wurden keine gualitätsrelevante Beeinflussung des Lichtbogens festgestellt, so dass die elektromagnetische Schmelzbadstütze beim reinen Lichtbogenschweißverfahren bzw. bei geringerer Freguenz eingesetzt werden kann. Die Schweißnahtgualität bleibt erhalten. Es ist auch gezielt möglich, den Lichtbogen guer zur Schweißrichtung mittels externer Magnetfelder auszulenken, um eine Erhöhung der Spaltüberbrückbarkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus wurde bei der praktischen Umsetzung immer eine relative Bewegung des Werkstückes durch eine externe mechanische Achse realisiert, die zusätzlich zur Brennerbewegung für eine synchrone Magnetbewegung an der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks notwendig war. Diese erschwerte die Realisierung eines Schweißverfahrens mit der Anwendung einer elektromagnetischen Badstütze insbesondere bei längeren Schweißnähten, die in [0005] beschriebene Beispiele relevant ist. Diese Erfindung beinhaltet ebenfalls eine selbstbewegte Badstütze. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann durch die selbstbewegende Magneteinheit die Notwendigkeit entfallen, eine zusätzliche mechanische Achse bei dem Prozess zu verwenden.

[008] Das Verfahren basiert auf einer Kombination eines Lichtbogenschweißverfahrens mit einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze. Insbesondere wird bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Frequenzen im Bereich von 100 Hz-1000 Hz eine höhere Stützwirkung erreicht werden, als das bisher möglich war. Ebenso können vorteilhaft eine Erhöhung der Spaltüberbrückbarkeit beim Lichtbogenschweißen und die Durchmischung des Zusatzmaterials gegenüber vorbekannten Verfahren erheblich verbessert werden.

[009] Gemäß einer Ausführungsform wird ein Lichtbogenschweißverfahren vorgeschlagen, das Folgendes umfasst:

Anordnen einer Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und gegenpolig zur Elektrode kontaktierten Fügepartnern, so dass eine vordere Elektrodenfläche der Elektrode vorderseitig zu einem von den Fügepartnern gebildeten Fügespalt angeordnet ist;

Anordnen eines Magnetpolpaares in Abhängigkeit von einer Schweißposition rückseitig oder oberseitig zu dem von den Fügepartnern gebildeten Fügespalt und in Bezug auf die vordere Elektrodenfläche im Wesentlichen zentriert, wobei ein kürzester Abstand jedes Magnetpols des Magnetpolpaares zu den Fügepartnern identisch ist;

Erzeugen des Lichtbogens derart, dass die Fügepartner miteinander im Kontakt mit dem, bzw. unter Einfluss des Lichtbogen eine Schweißzone umfassend ein Schmelzbad ausbilden und im Wesentlichen gleichzeitiges Induzieren eines niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes zwischen den Magnetpolen des Magnetpolpaares, wobei das niederfrequent oszillierende Magnetfeld im Wesentlichen orthogonal, also quer zu einer Hauptausbreitungsrichtung des Lichtbogens orientiert ist; fortschreitendes Bewegen der Elektrode entlang des Fügespalts, sodass das Schmelzbad zwischen den Fügepartnern unter Zurücklassen, d.h. unter Ausbildung einer Schweißnaht wandert; und synchrones Mitführen des niederfrequent oszillierenden Magnetfelds; wobei eine magnetische Flussdichte des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes so gewählt wird, dass eine vom niederfrequent oszillierenden Magnetfeld in dem Schmelzbad induzierte Lorentzkraft das Schmelzbad in einem Abschnitt des Fügespalts entgegen einer hydrostatischen Kraft und/oder entgegen einer Gravitationskraft stützt und ein Austreten des Schmelzbades aus dem Fügespalt verhindert, wobei die Fügepartner im Wesentlichen metallische Werkstoffe sind und eine Frequenz des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes in einem Bereich von 100 bis 1000 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 200 Hz bis 700 Hz, typischerweise in einem Bereich von 400 Hz bis 600 Hz liegt.

[0010] Vorteilhaft eignet sich die elektromagnetische Schmelzbadstütze gegenüber konventionellen Badstützen, da sie kontaktlos eingesetzt werden kann. Zudem wurde keine negative Beeinflussung des Lichtbogens bei den hier vorgeschlagenen Frequenzen festgestellt, sodass die elektromagnetische Schmelzbadstütze bei reinem Lichtbogenschweißverfahren eingesetzt werden kann.

[0011] Gemäß einer Ausführungsform liegt der kürzeste Abstand der Magnetpole des Magnetpolpaares zu den Fügepartnern in einem Bereich von 2 mm bis 3 mm oder - bei Verwendung von Magnetpolpaaren in Form von Rollen - sogar bei 0 mm, sodass die Magnetpoolpaare auf den Fügepartnern aufliegen oder praktisch auf ihnen aufliegen, bzw. auf ihnen gleitend fortbewegbar sind.

[0012] Vorteilhaft bei den Magnetpolpaaren in Form von Rollen ist, dass diese auf den Fügepartnern aufliegen und das Einhalten eines Abstandes von 2 mm bis 3 mm dadurch entfällt. Falls keine Rollen eingesetzt werden sollen, bedarf es den Einsatz von Abstandshaltern im Bereich von 2 mm bis 3 mm, sodass der Abstand der Magnetpolpaare zu den Fügepartnern konstant gehalten wird, um eine gleichmäßige Wirkung des oszillierenden Magnetfeldes über die gesamte Schweißnahtlänge zu gewährleisten. [0013] Gemäß einer Ausführungsform liegt eine magnetische Flussdichte des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes in einem Bereich von 0,1 -0,3 Tesla; wobei die magnetische Flussdichte während des Schweißens dynamisch so angepasst wird, dass eine Wurzelüberhöhung bzw. eine Nahtüberhöhung über die gesamte Schweißnaht gleichmäßig ist und ein vorgegebener Richtwert der Wurzel- bzw. Nahtüberhöhung nicht überschritten wird.

[0014] Vorteilhaft einer dynamischen Anpassung der magnetischen Flussdichte während des Schweißens ist, dass eine gleichmäßige Wurzel- bzw. Nahtüberhöhung gewährleistet werden kann.

[0015] Gemäß einer Ausführungsform wird zur dynamischen Anpassung der magnetischen Flussdichte ein Profil einer Wurzel der Schweißnaht mit einem Abstandmesser oder mit einem Laserprofilscanner erfasst und ausgewertet.

[0016] Vorteilhaft der Messung des Wurzelprofils während des Schweißens ist, dass dadurch während des Schweißvorgangs auf Änderungen der Wurzel- bzw. Nahtüberhöhung durch die dynamische Anpassung der magnetischen Flussdichte reagiert werden kann.

[0017] Gemäß einer Ausführungsform sind beide Magnetpole jeweils als um eine Längsachse drehbare gerade Kreiszylinder ausgebildet, sodass bei deren identischer Rotation eine geradlinige Bewegung des Magnetpolpaares und des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes entlang des Fügespalts erreichbar ist.

[0018] Vorteilhaft durch das Aufsitzen der Magnetpolpaare auf den Fügepartnern ist, dass der Abstand der Magnetpolpaare zu den Fügepartnern über den gesamten Schweißvorgang identisch bleibt. Bei Kantenversätzen zwischen den Fügepartnern bedarf es somit keinen Einsatz weiterer Abstandshalter.

[0019] Gemäß einer Ausführungsform sind die Magnetpole drehbar um ihre Längsachse angeordnet, und mit einer geeigneten Antriebsvorrichtung, beispielsweise einem Schrittmotor versehen, der eine Rotation der Magnetpole bewirkt, und so eine Bewegung der Magnetpole entlang des Fügespalts erzeugt, wobei eine kontaktlose relative Temperaturmessung der Temperatur des Schmelzbades erfolgt, beispielsweise mittels optischer Pyrometrie, IR- Thermographie oder einer Emissionsmessung mittels eines optischen Kamerasystems. Hierbei erfasst eine entsprechende Temperatursonde eine Zone einer maximalen Temperatur des Schmelzbades und ermöglicht im Zusammenwirken mit einer Kontroll- und Steuereinheit ein derartiges Steuern der Antriebsvorrichtung, dass ein lateraler Abstand zwischen dem Auflagepunkt des Magnetpolpaars und der Zone der maximalen Temperatur des Schmelzbades konstant gehalten wird, während die Schweißzone unter Ausbildung der Schweißnaht fortschreitet.

[0020] Vorteilhaft folgt eine entsprechende elektromagnetische Badstütze dem fortschreitenden Schmelzbad, sodass eine maximale Kraftwirkung durch das Magnetfeld auf dem Schmelzbad erreichbar ist.

[0021] Gemäß einer Ausführungsform ist die Temperatursonde ausgewählt unter: einem Pyrometer, einer Thermokamera oder einem optischen Kamerasystem, welche die Position und Abmessung, bzw. Dimension oder Ausdehnung, des Schmelzbades erfassen.

[0022] Vorteilhaft durch die Verwendung einer Temperaturmessung im Wurzelbereich ist, dass die Schmelzbadlänge erfasst werden kann, um eine Korrektur des Abstandes des Magnetpolpaares zum Schmelzbad zu generieren. Mit einer Steuer- bzw. Kontrolleinheit kann dadurch die Position des Magnetsystems angepasst werden.

[0023] Gemäß einer Ausführungsform erfolgt gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren eine Abstandsmessung eines kürzesten vertikalen Abstandes zwischen den Magnetpolen und den Fügepartnern. Dazu weist die zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtete Vorrichtung einen Abstandssensor zur Messung des kürzesten Abstandes zwischen den Magnetpolen und den Fügepartnern auf. Hierbei ist der Abstandssensor ausgewählt unter: einem taktilen Sensor, einem induktiven Sensor, einem kapazitiven Sensor, und einem optoelektronischen Sensor.

[0024] Vorteilhaft ist dadurch, dass der Abstand konstant gehalten werden kann, um eine gleichmäßige Beeinflussung des Schmelzbades durch die elektromagnetischen Kräfte und dadurch eine gleichmäßige Wurzel- bzw. Nahtüberhöhung erzielt werden kann. Die Eindringtiefe des Magnetfeldes nimmt mit zunehmendem Abstand zu den Magnetpolpaaren in vertikaler Richtung ab, sodass der Abstand zwischen dem Magnetpolpaar und des Fügepartners einen großen Einfluss hat und sollte daher kontrolliert werden und nicht während des Schweißens verändert werden.

[0025] Gemäß einer Ausführungsform weisen die Fügepartner einen metallischen Werkstoff auf. Insbesondere können die Fügepartner ferromagnetische Werkstoffe umfassen.

[0026] Vorteilhaft ist dadurch eine große Breite an zu verarbeitenden Werkstoffen. Für Magnetpolpaare in Rollenform können ferromagnetische Werkstoffe eingesetzt werden, um eine Haftung auf den Fügepartner zu gewährleisten.

[0027] Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektrode zu den Fügepartnern in einer Wannenposition, beispielsweise gemäß DIN EN ISO 6947, bzw. in PA- Schweißposition, in einer Überkopfposition gemäß DIN EN ISO 6947, bzw. in PE- Schweißposition, in einer Blech-Querposition oder in einer Rohr-Querposition gemäß DIN EN ISO 6947, bzw. einer PC-Schweißposition angeordnet.

[0028] Vorteilhaft ist dadurch, dass das Verfahren in allen Schweißpositionen durchgeführt werden kann unabhängig von linearen Schweißnähten oder Rundnähten.

[0029] Gemäß einer Ausführungsform wird eine Frequenz des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes zwischen den Magnetpolen während des fortschreitenden Bewegens der Elektrode entlang des Fügespalts permanent so angepasst, dass eine Resonanzbedingung erreicht und aufrechterhalten wird, indem eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung eines sekundären Schwingkreises, der zur Ansteuerung des Magnetpolpaares dient, aufgezeichnet und permanent überwacht wird.

[0030] Vorteilhaft dadurch ist, dass im Resonanzfall eine optimale Effizienz des Schwingkreises gewährleistet wird. Dabei verschwindet der kapazitive und der induktive Widerstand, da die Impedanz des Schwingkreises ihren minimalen Wert erreicht. Die effektive Wirkleistung ist in dem Fall maximal und nur noch vom Ohm’schen Widerstand abhängig.

[0031] Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Lichtbogenschweißverfahrens vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst: eine an eine Spannungsquelle anschließbare Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens, aufweisend eine vordere Elektrodenfläche, wobei die Elektrode entlang einer Vorderseite eines zwischen zwei Fügepartnern ausbildbaren Fügespaltes bewegbar ist und eingerichtet ist, zwischen der vorderen Elektrodenfläche und dem Fügespalt den Lichtbogen zu induzieren, sodass im Fügespalt ein Schmelzbad ausbildbar ist, das nach dem Erstarren eine die beiden Fügepartner verbindende Schweißnaht ausbildet; eine Schmelzbadstütze, umfassend:

- ein rückseitig oder oberseitig und zentriert zum Fügespalt und zur vorderen Elektrodenfläche anordenbares Magnetpolpaar, wobei ein kürzester Abstand jedes Magnetpols des Magnetpolpaares zu den Fügepartnern identisch einstellbar ist; und

- einen Verstärker zur niederfrequenten Ansteuerung des Magnetpolpaares, umfassend einen Schwingkreis, der so anpassbar ist, dass eine Resonanzfrequenz aufrecht erhaltbar ist; wobei eine magnetische Flussdichte des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes so gewählt wird, dass das in einem im Fügespalt ausbildbare Schmelzbad durch eine durch die magnetische Flussdichte induzierbare Lorentzkraft in einem Abschnitt des Fügespalts entgegen einer hydrostatischen Kraft und/oder entgegen einer Gravitationskraft gestützt wird und ein Austreten des Schmelzbades aus dem Fügespalt verhindert wird; wobei die Fügepartner im Wesentlichen einen metallischen Werkstoff umfassen; und wobei eine Frequenz des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes in einem Bereich von 100 bis 1000 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 400 Hz bis 700 Hz, typischerweise in einem Bereich von 500 Hz bis 600 Hz regelbar ist. [0032] Vorteilhaft ist dadurch der Einsatz einer kontaktlosen Schmelzbadstütze im Vergleich zu konventionellen Badstützen, die mechanische angebracht und entfernt werden. Dadurch lässt sich Zeit und Kosten sparen.

[0033] Gemäß einer Ausführungsform ist die die Schmelzbadstütze eingerichtet, sich selbstfahrend entlang des von Fügepartnern umfassend einen ferromagnetischen Werkstoff gebildeten Fügespalts zu bewegen, wobei die Schmelzbadstütze weiter umfasst:

- ein Gestell, an dem zwei jeweils um eine Längsachse drehbare Magnetpole des Magnetpolpaares in Form gerader Kreiszylinder drehbar befestigt sind, sodass bei deren identischer Rotation eine geradlinige Bewegung des Magnetpolpaares entlang des Fügespalts erreichbar ist, wobei die Schmelzbadstütze mittels Magnetkraft auf den Fügepartnern gleitend gehalten wird.

[0034] Vorteilhaft dadurch ist, dass so auf eine mechanische Achse zum Führen des Magneten unterhalb bzw. oberhalb der Fügepartner verzichtet werden kann. Der Magnet lässt sich somit selbst bewegen.

[0035] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schmelzbadstütze weiterhin eine Antriebsvorrichtung zum Erzeugen einer Rotation der Magnetpole und zum Vorwärtsbewegen des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes synchron zu einer Bewegung einer Zone einer maximalen Temperatur des Schmelzbades im Fügespalt.

[0036] Vorteilhaft dadurch ist, dass die austretende Schmelze in einem Bereich angeordnet wird, wo eine maximale Stützwirkung durch die oszillierenden Magnetfelder erreicht werden kann, um der Gravitationskraft entgegenzuwirken. So kann die Magnetkraft effektiv eingesetzt werden.

[0037] Gemäß einer Ausführungsform weist die Schmelzbadstütze weiter eine Temperatursonde zur Messung einer Temperatur des abschnittsweise im Fügespalt ausbildbaren Schmelzbades auf, wobei die Temperatursonde eingerichtet ist, die Zone der maximalen Temperatur des Schmelzbades zu erfassen und die Antriebsvorrichtung - beispielsweise in Wechselwirkung mit einer Kontroll- und Steuereinheit - so zu steuern, dass ein Abstand zwischen dem Magnetpolpaar und der Zone der maximalen Temperatur des Schmelzbades konstant haltbar ist, wenn das Schmelzbad unter Ausbildung zwischen den beiden Fügepartnern der Schweißnaht fortschreitet.

[0038] Vorteilhaft dadurch ist, dass während des gesamten Schweißvorgangs eine konstante Stützwirkung durch die Magnetkräfte eingestellt werden kann. Mit Hilfe der Temperaturmessungen kann das Schmelzbad identifiziert werden und die Position des Magneten angepasst werden.

[0039] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schmelzbadstütze weiter eine Kontroll- und Steuereinheit, die eingerichtet ist, die durch die Antriebsvorrichtung erzeugte Rotation der Magnetpole so zu steuern, dass eine durch Daten der Temperatursonde festgestellte Bewegung des Schmelzbades entlang des Fügespaltes eine synchrone Bewegung der Schmelzbadstütze bewirkt; wobei die Kontroll- und Steuereinheit weiter eingerichtet ist, eine magnetische Flussdichte während des Schweißens dynamisch so anzupassen, dass eine Überhöhung der Wurzel der Schweißnaht bzw. eine Nahtüberhöhung über die gesamte Schweißnaht gleichmäßig ist und dass ein vorgegebener Richtwert der Wurzel- bzw.

Nahtüberhöhung nicht überschritten wird.

[0040] Gemäß einer Ausführungsform ist die Temperatursonde ausgewählt unter: einem Pyrometer und einer Thermokamera.

[0041] Vorteilhaft ist dabei, dass eine Messung der Temperatur kontaktlos durch den Magnetspalt mittels eines optischen Systems erfolgen kann.

[0042] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin einen Abstandssensor zur Messung eines kürzesten Abstandes zwischen den Magnetpolen und den Fügepartnern, wobei der Abstandssensor ausgewählt ist unter: einem induktiven Sensor, einem kapazitiven Sensor, und einem optoelektronischen Sensor.

[0043] Vorteilhaft ist dabei, dass sich während des Schweißens ergebenden Schweißnahtprofil erfasst werden kann und die Leistung des Magnetsystems bei Bedarf angepasst werden kann. [0044] Gemäß einer Ausführungsform wird eine selbstfahrende Schmelzbadstütze zur Stützung eines Schmelzbades in einem von zueinander benachbarten Fügepartnern ausgebildeten Fügespalt vorgeschlagen, die Folgendes umfasst: eine Vorrichtung zum Durchführen eines Lichtbogenschweißverfahrens gemäß einer der vorstehend bezeichneten Ausführungsformen, umfassend zumindest ein Gestell mit einem daran drehbar befestigten Magnetpolpaar, das zwei jeweils um eine Längsachse drehbare Magnetpole in Form gerader Kreiszylinder aufweist, sodass bei deren identischer Rotation eine im Wesentlichen geradlinige Bewegung des Magnetpolpaares entlang des Fügespalts erreichbar ist, wobei die selbstfahrende Schmelzbadstütze mittels Magnetkraft in einem andauernden Kontakt mit den Fügepartnern bleibt, wobei das Magnetpolpaar so ansteuerbar ist, dass durch die beiden Magnetpole ein niederfrequent oszillierendes Magnetfeld ausbildbar ist, wobei eine magnetische Flussdichte des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes so gewählt wird, dass in dem im Fügespalt abschnittsweise ausbildbaren Schmelzbad eine Lorentzkraft erzeugbar ist, die das Schmelzbad gegen eine hydrostatische Kraft und/oder gegen eine Gravitationskraft stützt; und eine Antriebsvorrichtung zum Erzeugen einer Rotation der Magnetpole und zum Vorwärtsbewegen des niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes synchron zu einer Bewegung des Schmelzbades im Fügespalt, bzw. synchron zu einer Bewegung des zum Schweißen verwendeten Lichtbogens.

[0045] Gemäß einer Ausführungsform umfasst die selbstfahrende Schmelzbadstütze weiterhin eine Temperatursonde zur Messung einer Temperatur des im Fügespalt abschnittsweise ausbildbaren Schmelzbades, wobei die Temperatursonde eingerichtet ist, eine Zone einer maximalen Temperatur des Schmelzbades zu erfassen und die Antriebsvorrichtung in Wechselwirkung mit einer Kontroll- und Steuereinheit so zu steuern, dass ein Abstand zwischen dem Magnetpolpaar der Schmalzbadstütze und der Zone der maximalen Temperatur des Schmelzbades konstant zu halten, wenn die Schweißzone unter Ausbildung einer Schweißnaht zwischen den beiden Fügepartnern fortschreitet.

[0046] Gemäß einer Ausführungsform ist die genannte Kontroll- und Steuereinheit eingerichtet, einen Verstärker so anzusteuern, dass ein niederfrequenter Schwingkreis so anpassbar ist, dass eine Resonanzfrequenz während des gesamten Schweißvorganges aufrecht erhalten wird.

[0047] Vorteilhaft ist dabei, dass somit die Effizienz des Verfahrens gesteigert wird und die unnötige Energieverluste reduziert werden.

[0048] Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, die vorstehend beschriebene selbstfahrende Schmelzbadstütze zum Erzeugen einer Lorentzkraft in einem abschnittsweise in einem Fügespalt ausgebildeten Schmelzbad zu verwenden, wobei eine magnetische Flussdichte eines niederfrequent oszillierenden Magnetfeldes so gewählt wird, dass eine vorgegebene Überhöhung einer Wurzel einer Schweißnaht bzw. eine Nahtüberhöhung über die gesamte Schweißnaht gleichmäßig ist und ein vorgegebener Richtwert der Wurzel- bzw. Nahtüberhöhung nicht überschritten wird.

[0049] Vorteilhaft ist dabei, dass der Richtwert der Wurzel- bzw. Nahtüberhöhung anhand der Anforderung an die Schweißverbindung gewählt werden kann.

[0050] Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.

[0051] In den nachfolgend bezeichneten Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen und eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird weggelassen. Ferner sind die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips der vorgeschlagenen technischen Lösung.

Figuren

[0052] Figur 1 : Schematische Illustration eines oszillierendes Magnetfeldes als Badstütze beim Lichtbogenschweißverfahren (rückseitig) in Wannenposition (PA- Schweißposition) [0053] Figur 2: Schematische Illustration eines oszillierendes Magnetfeldes als Badstütze beim Lichtbogenschweißverfahren (überseitig) in Überkopfposition (PE- Schweißposition)

[0054] Figur 3: Schematische Illustration in Seitenansicht eines oszillierendes Magnetfeldes als Badstütze beim Lichtbogenschweißverfahren (rückseitig) in Wannenposition (PA-Schweißposition)

[0055] Figur 4: Schematische Illustration eines oszillierendes Magnetfeldes als Badstütze beim Lichtbogenschweißverfahren in Wannenposition (PA- Schweißposition) mit einem Magnetpoolpaar als Rollen (rückseitig)

[0056] Figur 5: Schematische Illustration eines oszillierendes Magnetfeldes als Badstütze beim Lichtbogenschweißverfahren in Überkopfposition (PE- Schweißposition) mit einem Magnetpoolpaar als Rollen (mit dem Lichtbogenschweißverfahren auf einer Seite)

[0057] Figur 6: Schematische Illustration eines oszillierendes Magnetfeldes als Badstütze mit zwei Magnetsystemen beim Lichtbogenschweißverfahren für eine Orbitalschweißanwendung

[0058] Figur 7: Illustrationen zur Definition der Begriffe Nahtüberhöhung (A); Nahtunterwölbung (B); Wurzelüberhöhung (C) und Wurzelrückfall (D) gemäß DIN EN ISO 5817:2014-06 für Bleche mit einer Blechdicke von >3 mm

[0059] Das eingangs vorgeschlagene Verfahren kann für alle metallischen Werkstoffe eingesetzt werden.

[0060] Aspekte der vorstehenden Ausführungsformen lassen sich in Form der nachfolgenden Stichpunkte beschreiben:

1 . Die Richtung des Magnetfeldes kann parallel, senkrecht oder in einem beliebigen Winkel zur Schweißrichtung sein und vorzugsweise (aber nicht ausschließlich) in einer Ebene parallel zu Oberfläche des Werkstücks liegen. Das extern angelegte oszillierende Magnetfeld kann als Badstütze, zur Vermeidung von Tropfenbildung an der Wurzelseite bzw. an der Nahtoberfläche (abhängig von der Schweißposition), zum elektromagnetischen Rühren bzw. zur Durchmischung und zur gezielten Auslenkung des Lichtbogens zur Erhöhung der Spaltüberbrückbarkeit dienen. Dabei kann mittels einer parallelen Anordnung des Magnetfeldes der Lichtbogen so gelenkt werden, dass er quer zur Schweißrichtung verläuft und somit der Schweißspalt zuverlässig überbrückt wird bzw. die Spaltüberbrückbarkeit erhöht wird. Bisherige Patente oder Veröffentlichungen zeigen ein parallel oder in einem beliebigen anderen Winkel zur Schweißrichtung angelegtes Magnetfeld, um die Tropfenbildung zu vermeiden, bzw. um eine bessere Durchmischung des Schweißbades beim Strahlschweißverfahren bzw. bei einer Kombination eines weiteren Schweißverfahrens mit einem Strahlschweißverfahren zu gewährleisten. Die unter Einwirkung des oszillierenden Magnetfeldes resultierende Lorenzkraft ist vertikal zur Werkstückoberfläche orientiert und wirkt vorzugsweise (aber nicht ausschließlich) in eine Richtung, die entgegen der Gravitationskraft verläuft. Gemäß einer Ausführungsform kann ein zweites Magnetsystem an der Seite des Lichtbogens in einem Abstand zu diesem und ggf. getrennt durch ein nichtmagnetisches Trennblech eingesetzt werden. Das zweite Magnetsystem wird unabhängig von dem ersten Magnetsystem angesteuert. Das hier vorgeschlagene neue Verfahren kann in allen Schweißrichtungen, unter anderem in PA-Position (Wannenposition), PE- Position (Überkopfposition), PC-Position, insbesondere in Blech-Querposition (2G) oder in Rohr-Querposition (Rohr fest, Achse senkrecht; 2G) eingesetzt werden. In Überkopfposition ist die Anordnung des Magnetfeldes dementsprechend anzupassen. Bisherige Veröffentlichungen bezogen sich ausschließlich auf Schweißungen in PA-Position. Die Position der Magnetpole wird so ausgewählt, dass eine maximale Wirkung in der schmelzflüssigen Zone erreicht wird. Dabei kann das Magnetsystem während des Prozesses dynamisch positioniert werden. Die Länge des Schmelzbades wird dazu mittels des beschriebenen Messequipments, das eine berührungslose Temperaturmessung ermöglicht, ermittelt. In bisherigen Untersuchungen wurde dieser Punkt nicht berücksichtigt, sodass der Laserstrahl in der Mitte der Magnetpole positioniert wurde.

Das Verfahren kann für metallische Werkstoffe angewandt werden, die bei Raumtemperatur paramagnetische oder ferromagnetische Eigenschaften aufweisen. Für ferromagnetische Werkstoffe, die einen Curie-Punkt aufweisen, wird der größte Anteil des Magnetfeldes in dem Bereich lokalisiert, der oberhalb der Curie-Temperatur liegt. Dafür wird die Position des Magnetsystems vorteilhaft mit dem Fortschreiten der Schweißzone stets dynamisch angepasst. Zur Bestimmung der Schmelzbadlänge wird, beispielsweise, eine kontaktlose Temperaturmessung mittels Pyrometer oder mittels Thermokamera verwendet. In Abhängigkeit von den ermittelten Werten erfolgt mittels Rückkopplung, beispielsweise, eine Anpassung der Bewegung der Schmelzbadstütze. Vorteilhaft können so die Magnetpole und damit die elektromagnetische Badstütze sowohl gegenüber dem Spalt, als auch in Schweißrichtung dynamisch jeweils optimal positioniert werden. Der Abstand zwischen den Magnetpolen und der Werkstückoberfläche beträgt dabei null bis wenige Millimeter. Gemäß einer Ausführungsform wird, beispielsweise, durch mechanische Gleitelemente zwischen den Magnetpolen und der Werkstückoberfläche ein vorgegebener Wert eingestellt. Gemäß einer Ausführungsform sind für einen gewünschten Abstand zwischen den Magnetpolen und der Oberfläche des Werkstücks von null Millimetern die Magnetpole als Rollen mit rotierenden Achsen ausgeführt. Gemäß einer Ausführungsform wird das Magnetpolpaar allein durch die magnetische Anziehungskraft zum Halbzeug (z.B. ein Blech oder ein Rohr) auf einem vorgegebenen Abstand zum Werkstück gehalten. Eine Bewegung des Magnetpolpaares relativ zum Werkstück kann z. B. durch externe Achsen oder mit dem Schweißroboter abhängig von der Schweißposition erreicht werden. Die Stärke des jeweils applizierten Magnetfeldes richtet sich nach der erwünschten Kraftwirkung auf die Schmelzbadoberfläche und kann gemäß Ausführungsformen während des Schweißprozesses angepasst werden. Dazu wird eine jeweils erzeugte magnetische Flussdichte entweder gesteigert oder erniedrigt. Hierzu wird während des Schweißvorgangs das Schweißprofil an der Wurzelseite bzw. der dem Magnet zugewandten Werkstückoberfläche z.B. mit Hilfe eines Abstandmessers oder eines Laserprofilscanners erfasst und ermittelte Werte ausgewertet. Anschließend kann durch eine dynamische Anpassung der Magnetfeldstärke die erwünschte Kraftwirkung so angepasst werden, dass die Wurzelüberhöhung bzw. die Nahtüberhöhung über die gesamte Schweißnaht gleichmäßig ist und gemäß geltender Normen vorgegebene Richtwerte nicht überschritten werden. [0061] Das erlaubt es, beispielsweise für Bleche mit einer Blechdicke von >3 mm die gemäß entsprechender Normen, beispielsweise nach DIN EN ISO 5817:2014-06, geltenden Grenzwerte für die höchste Bewertungsklasse B einzuhalten.

Beispielsweise wird eine Nahtüberhöhung h (vgl. Fig. 7A) von kleiner oder gleich 1 mm + 0,1 b (b = Schmelzbadbreite) eingehalten, wobei h maximal 5 mm beträgt. Ebenso wird eine Nahtunterwölbung h (vgl. Fig. 7B), typischerweise eine lediglich kurze Unregelmäßigkeit, von h < 0,05 t (t = Blechdicke), aber max. 0,5 mm eingehalten. Mit Hilfe der beschriebenen elektromagnetischen Schweißbadstütze wird die Einhaltung der Kriterien der höchsten Bewertungsklasse B für eine Schweißnaht ermöglicht. Die Oberfläche der Schweißnaht liegt somit zwischen dem angegebenen h Wert einer zulässigen Nahtunterwölbung und dem h Wert der zulässigen Nahtüberhöhung.

[0062] Für die Wurzelüberhöhung h (vgl. Fig. 7C) gilt Entsprechendes, also: Wurzelüberhöhung h < 1 mm + 0,2 b (b = Schmelzbadbreite an der Wurzelseite), aber maximal nur 3 mm; und für einen Wurzelrückfall h (vgl. Fig. 7D), d.h. eine kurze Unregelmäßigkeit, gilt h < 0,05 t (t = Blechdicke), aber maximal nur 0,5 mm. Eine zulässige Wurzelgeometrie soll innerhalb der, bzw. zwischen den angegebenen Bereichen liegen. Hierbei ist eine Unregelmäßigkeit bei Schweißnähten, die 100 mm oder länger sind, als kurz definiert, wenn die Unregelmäßigkeit in einem Abschnitt von 100 mm liegt, der die meisten Unregelmäßigkeiten beinhaltet, und eine Gesamtlänge von 25 mm nicht überschreitet.

7. Die Oszillationsfrequenz des Magnetfeldes richtet sich nach dem Prinzip der Skinschichttheorie. Beispielsweise kann in Abhängigkeit von einer jeweils gewünschten Nahtüberhöhung die Oszillationsfrequenz während des Schweißprozesses geändert bzw. angepasst werden. Das Phasenbild (d.h. die Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung im sekundären Schwingungskreis) wird über die gesamte Schweißnaht aufgezeichnet und - sobald das Magnetsystem sich nicht im Resonanzmodus befindet - wird die Oszillationsfrequenz angepasst. So kann eine maximale Wirkung des Magnetfeldes gewährleistet werden, bzw. die notwendige Leistung aus dem Verstärker optimal genutzt werden.

8. Der Magnet wird während des Schweißens in Bezug auf das Werkstück mit der gleichen Geschwindigkeit, wie der Lichtbogen mitgeführt. Dafür wird ein zusätzlicher Antrieb oder eine zusätzliche Achse für den Magneten eingesetzt. Eine Rückkopplung aus dem Schweißprozess wird verwendet, um die Position des Magneten dynamisch während des Schweißvorgangs anzupassen. Dies kann z.B. gestützt auf kontaktlos durchgeführten Temperaturmessungen erfolgen.

9. Gemäß einer Ausführungsform ist das Magnetsystem als selbstfahrendes (autonomes) System ausgeführt, sodass der Magnet und damit die Badstütze, allein durch die Anziehungskraft zum metallischen Werkstoff an diesem haftet. Durch einen Antrieb können die Magnetrollen eine Relativbewegung zum Werkstück realisieren, sodass das Magnetsystem fortbewegt wird. Über die stetige Erfassung der Lokalisation des Schweißbades, beispielsweise mit einer Temperatursonde, und eine Regelung des Antriebs (oben erwähntes System der Rückkopplung) folgt die Badstütze dem während des Schweißprozesses kontinuierlich fortschreitenden Lichtbogen und gewährleistet somit eine konstante Güte der Schweißnaht über deren gesamte Länge.

[0063] Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.

Bezugszeichenliste

1 - Fügepartner

2 - Fügespalt

3 - Elektrode

4 - vordere Elektrodenfläche

5 - Lichtbogen 6 Schmelzbad

7 Schweißzone

8 Schweißnaht

9 Wurzel 0 Bewegungsrichtung der Elektrode / des Schmelzbades 1 Magnetspule mit Kem 2 Magnetpolpaar 3 Lorentzkraft 4 Nahtüberhöhung h Nahtüberhöhung, - unterwölbung; Wurzelüberhöhung, -rückfall b Schmelzbadbreite t Blechdicke