DE10047492A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver VorwärmungInfo
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Abstract
Mit dem Verfahren und der zur Durchführung des Verfahrens in Varianten entwickelten Vorrichtung ist mittels der gezielt einwirkenden Vorwärmung eine Verbesserung des Einbrandes, der Nahtgeometrie innen wie außen und eine Vermeidung von Aufhärtung im Nahtbereich und ggf. möglicher Rißbildung erreichbar. DOLLAR A Das Verfahren mit den konzipierten Induktoren ist für das mechanisierte Lichtbogenschweißen am Schweißportal für Verbindungs-, Auftragsschweiß- sowie für Rollennahtschweißprozesse nutzbar. DOLLAR A Die induktive Erwärmung erfolgt über Koaxialtransformatoren bei einer Leistungsaufnahme von bis zu 30 kW und der Kopplung mit Frequenzumrichtern, die im Bereich der MF von ca. 9 bis 23 kHz arbeiten. DOLLAR A Besondere Vorteile des Verfahrens mit den vorrichtungsgemäß benutzten Induktoren sind: DOLLAR A - Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und Abschmelzleistung, DOLLAR A - Verbesserung der Gefügestruktur, insbesondere Vermeidung von Härtespitzen, DOLLAR A - nur lokale Erwärmung ist notwendig, die eine sonst insgesamt erforderliche Wärmebehandlung ganzer Bauteile (z. B. Behälter) überflüssig macht.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit einer in Varianten verwendbaren Vorrichtung zum
vollmechanisierten Lichtbogen- und Rollennahtschweißen, unter gleichzeitiger Vorwärmung
von vorzugsweise warmfesten und Aluminiumwerkstoffen.
Aus der Patent- und Fachliteratur ist eine Vielzahl von Verfahren bekannt, die ein Aufhärten
von Schweißverbindungen während des Fügens verhindern oder beseitigen sollen. Beispiels
weise wird die Induktionserwärmung deshalb zu Wärmenachbehandlungen oder parallel beim
Laserauftragschweißen verwendet. Bekannt ist auch, daß induktiv gelötet werden kann und
die Induktionserwärmung ebenso beim Umschmelzen von Bördelnähten zum Einsatz kommt.
Unter Verwendung von gleichzeitigem, seitlichem Rollendruck wird der Fügeprozeß längs zu
schweißender Rohre oder ein ggfs. nachfolgendes Schweißnahtglühen mittels anderer
Verfahren geschweißter Rohre unterstützt. Diese Art des Fügens und Nachbehandelns erfolgt
meist im hochfrequenten Bereich.
Auch auf dem Gebiet des Hochstromschweißens (MAG; MIG; UP) wurden Versuche
unternommen, die Schweißgeschwindigkeit mittels der Kombination mehrerer Lichtbögen
oder Kathodenanordnungen entscheidend zu verbessern, was aber letztlich die "äußere" und
"innere" Nahtform nicht zufriedenstellend ausbildete.
So wird z. B. in der Patentschrift JP 010 40 194 A ein vorheriges Induktionserwärmen beim
Laserschweißen beschrieben, wodurch die Gefügeausbildung im Schweißnahtbereich mittels
hochfrequenter Induktionserwärmung keine Aufhärtung erfahren soll.
Mit der Konzeption ist es offenbar nicht möglich, entsprechend der unterschiedlichsten
Nahtformen ein befriedigendes Ergebnis auch bei Lichtbogenschweißverfahren zu erreichen.
Ebenso entwickelte das Institut für Werkstoff- und Strahltechnik der Fraunhofer Gesellschaft
ein Hybridverfahren, in welchem die Kombination des Laserschweißens mit der Induktions
erwärmung hergestellt wurde. Damit wurde es möglich, die rißfreie Laserstrahlschweißung
von Stählen mit Kohlenstoffgehalten < 0,2% zu erreichen. Die als Zusatzenergiequelle zu be
zeichnende Induktionserwärmung sorgt dabei für eine gestaffelte und steuerbare Temperatur
absenkung in der Schweißnaht, wodurch Martensitbildungen vermieden werden.
Gemäß der DE 196 37 465 C1 wird ein Verfahren zum Strahlschweißen von härtbaren
Stählen mittels Kurzzeitwärmebehandlung vorgeschlagen. Die Kurzzeitwärmebehandlung
geschieht hier durch die Strahlschweißquelle selbst (Elektronenstrahl) oder mittels
zusätzlicher induktiver
Wärmequelle. Einwirkungstiefe und -zeit werden so gesteuert, daß die Schweißnaht min
destens die Qualität einer Vergütung der Ausgangswerkstoffe nachweist und ferritisch
perlitische Verhältnisse sowie die Bildung von Zementit unterstützt werden. In der Wärme
einflußzone sollte dabei eine HV < 350 erreicht werden.
Mit dem dargestellten Stand der Technik ist festzustellen, daß ein variables Wärme-Vor-
Behandeln der Nahtflanken zu verbindender Werkstücke mit unterschiedlicher Nahtgeometrie
und auch speziell unterschiedlich dicken Blechstärken noch nicht bekannt ist und dies ganz
besonders nicht für das Lichtbogenschweißen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzubieten die es gestattet,
auch bei Verfahren des Lichtbogen- und Rollennahtschweißens eine optimale, gesteuerte
Vorwärmung unter Zuhilfenahme speziell angepaßter Induktoren, vorzugsweise für die
Stumpf- und Kehlnaht- sowie Überlappnahtschweißung, zu erreichen und ggfs. bei
Vorhandensein von Werkstückdicken in unterschiedlicher Stärke einen günstigeren Einbrand
entsprechend der Nahtgeometrie zu erzielen, wobei auch die Rißempfindlichkeit von
warm testen Stählen und niedriglegierten Kohlenstoffstählen positiv beeinflußt wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichen des ersten Anspruches
genannten Merkmale gelöst.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt sodann in den Ansprüchen 2 bis 10.
Beim Lichtbogenschweißen mit offenem oder verdecktem Lichtbogen wird im Nahtbereich,
dem Brenner vorlaufend, ein konzentriert auf die Werkstückoberfläche gerichtetes
elektromagnetisches Feld eingekoppelt. Dies führt zur Induktion von Wirbelströmen und in
deren folge zur Widerstandserwärmung der betroffenen Bereiche. Es kommt darauf an, daß
die Erwärmung induktiv nicht nur die Oberflächenbereiche erfaßt, sondern auch, abhängig
von der anliegenden Induktorleistung, die Nahtgeometrie insgesamt mit angrenzenden
Arealen vorgewärmt wird. Dazu eignet sich besonders ein im MF-Bereich betriebener
Frequenzumrichter, der mit einem Koaxialtransformator gekoppelt ist. Dabei muß
unterschieden werden, ob Stahl oder Aluminiumlegierungen mit dem Verfahren des
Verbindungs- oder Auftragschweißens bearbeitet werden. Beim Schweißen von Stählen im
Behälterhau, beispielsweise von warmfesten Stählen, kann im Hinblick auf die vorliegende
Nahtvorbereitung mit einer Induktorleistung von ca. 15 kW bis 21 kW ausreichend
vorgewärmt werden, was einer erreichbaren Temperatur von etwa bis zu 300°C im
Nahtbereich entspricht. Die Eignung der induktiven Erwärmung wird hauptsächlich so
effektiv nutzbar beim Verbindungsschweißen mit Lichtbogen bzgl. von MIG-, MAG- und
UP-Verfahren, wobei hier wiederum Kehl- und Stumpfnähte als, I, V, HIV, Y oder
X-Nahtformen vorgewärmt und nachfolgend mit nichtabschmelzender Elektrode oder
abschmelzender Massiv- oder Fülldrahtelektrode bearbeitbar sind. Mittels kontinuierlicher
Temperaturmessung werden die Vorwärmtemperaturen so gesteuert, daß in Abhängigkeit von
der Schweißgeschwindigkeit vs stets gleiche Verhältnisse herrschen.
In diesem Zusammenhang soll auf die ständige Wechselbeziehung mit der induktiven
Erwärmung stehenden Parameter verwiesen werden. Dazu zählen insbesondere:
- - Die räumlich-zeitlich begrenzte Temperaturerhöhung.
- - Der Abstand des Induktors zum Brenner und zur Werkstück-/Bauteiloberfläche.
- - Die Bewegungsgeschwindigkeit des Brenners bzw. die Schweißgeschwindigkeit.
- - Die Wärmeableitungsbedingungen im Werkstoff der zu fügenden Bauteile.
Beim Auftragschweißen von Stählen wird hingegen zum Erreichen einer höheren Ab
schmelzleistung mit Induklorleistungen von bis zu 24 kW gearbeitet, wobei theoretisch bei
einer Schweißgeschwindigkeit vs von ca. 3 m.min-1 noch Vorwärmtemperaturen von ca.
260°C erreicht werden.
Während beim Schweißen von Stählen die Schweißgeschwindigkeit höher und die
notwendige Induktorleistung geringer als beim Schweißen von Al-Legierungen ist, werden bei
letzterem Werte von 30 kW-Induktorleistung und mehr sowie ein Abstand des Induktors zur
Werkstück/Bauteiloberfläche von max. 1 mm notwendig.
Die verschiedenartig geformten Induktoren werden im Regelfall dem Brenner vorlaufend
angeordnet was aber nicht ausschließt, daß bei starken Blechen oder unterschiedlich starken
eine Parallel- oder einseitige Führung durchgeführt wird.
Die zum Einsatz kommenden Induktoren sind als ein- oder zweiwindige Schleifen der
entsprechenden Nahtgeometrie (Kehlnaht, Stumpfnaht, Auftragschweißen und Rollen
nahtschweißen) konstruktiv so angepaßt, daß der Nahtbereich in seiner Tiefe durchwärmt
wird. Sie sind dabei gewölbt, gebogen oder gerade mit rechtwinkliger Abknickung und ggfs.
mit eingesetztem Weicheisenpaket gestaltet. Letzteres dient zur Verstärkung des elektro
magnetischen Feldes im unmittelbar induktiv erwärmten Nahtbereich oder der Oberfläche
beim Auftragschweißen.
Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei zur
Erklärung auf einzelne Figuren zurückgegriffen wird. Dabei zeigen:
Fig. 1 Darstellung angepaßter Induktorformen
Fig. 2 Querschnitt Auftragschweißung ohne (a) und mit (b) induktiver Vorwärmung
Fig. 3 Querschnitt Kehlnahtschweißung ohne (a) und mit (b) induktiver Vorwärmung
Fig. 4 Querschnitt Stumpfnahtschweißung ohne und mit induktiver Vorwärmung
(UP-Schweißen)
Die in den einzelnen Figuren verwendeten Bezugszeichen haben die folgende Bedeutung:
1 Induktor für Kehlnahtschweißung
2 Induktor für Kehlnaht-(Wurzelschweißung)
3 Induktor für Decklagenschweißung
4 Induktor für Kehlnahtschweißung
5 Schmelzprofil ohne Induktor beim Auftragschweißen
6 Schmelzprofil mit Induktor beim Auftragschweißen
7 Schmelzprofil ohne Induktor beim Kehlnahtschweißen
8 Schmelzprofil mit Induktor beim Kehlnahtschweißen
9.1 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 1 (ohne indukt. Vorwärmung)
9.2 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 2 (ohne indukt. Vorwärmung)
10.1 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 1 (ohne indukt. Vorwärmung)
10.2 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 2 (mit indukt. Vorwärmung)
2 Induktor für Kehlnaht-(Wurzelschweißung)
3 Induktor für Decklagenschweißung
4 Induktor für Kehlnahtschweißung
5 Schmelzprofil ohne Induktor beim Auftragschweißen
6 Schmelzprofil mit Induktor beim Auftragschweißen
7 Schmelzprofil ohne Induktor beim Kehlnahtschweißen
8 Schmelzprofil mit Induktor beim Kehlnahtschweißen
9.1 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 1 (ohne indukt. Vorwärmung)
9.2 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 2 (ohne indukt. Vorwärmung)
10.1 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 1 (ohne indukt. Vorwärmung)
10.2 Schmelzprofil Stumpfstoß Lage 2 (mit indukt. Vorwärmung)
Verfahrensgemäß wird unterschieden, daß die induktive Vorwärmung vorzugsweise für das
Verbindungsschweißen mil offenem oder verdecktem Lichtbogen von warmfesten Stählen im
Behälter-, Rohrleitungs- und Schienenfahrzeugbau sowie zum Schweißen von Al-Guß- und
Al-Knetlegierungen eingesetzt wird. Als Beispiel seien der Stahl 13 CrMo 45 bzw.
AlMgSiO5 oder AlMg3 genannt.
Aber auch Auftragschweißungen und die besondere Form des Verbindungsschweißens- das
Rollennahtschweißen werden durchgeführt.
Energetisch wird bzgl. der Induktorleistung beim Verbindungs- und Auftragschweißen sowie
auch Rollennahtschweißen mit 15 bis 30 kW gearbeitet, wobei beim Stumpfnahtschweißen
von I, V, Y-Nähten im UP-Verfahren eine Induktorleistung von ca. 21 kW schon ausreicht.
Wesentlich zur Herbeiführung des Vorwärmeffektes in den v. g. Verfahren ist es, daß die
speziellen Ausführungsformen der Induktoren 1 bis 4 sehr nahe an die Bauteiloberfläche oder
auch an die Nahtflanken zu schweißender Wurzellagen geführt werden, um Aufhärtungen und
mögliche Rißbildungen beim Schweißen zu vermeiden sowie den Einbrand in den
Grundwerkstoff zu erhöhen.
Die Induktorleislung selbst wird über einen Koaxialtransformator erzeugt, der mit einem
Frequenzumrichter gekoppelt ist, wobei letzterer im MF-Bereich mit Frequenzen von ca. 9 bis
23 kHz arbeitet.
Die angegebenen Leistungsparameter des/der Induktors/-en entsprechen vorliegenden Blech
stärken von < 6 mm.
Da sich die induktive Vorwärmung auch für die gezielte Beeinflussung eines gleichmäßigen
Einbrandes zu fügender Bauteile mit unterschiedlichen Blechstärken eignet (Überbrückung
von 10 bis 30 mm) wird der jeweilige Induktor ggfs. einseitig führbar gestaltet.
Es ist die Regel, daß ein Induktor vorteilhafterweise bis zu 100 mm vor dem Brenner bewegt
wird.
Die Arbeitshöhe des Induktors liegt beim Schweißen von Stählen zwischen 1 und 2 mm und
beim Schweißen der v. g. Al-Legierungen möglichst nahe 1 mm oder noch darunter.
Kehlnahtschweißungen beispielsweise 10 mm dicker Bleche können mittels Induktoren und
integriertem Weicheisenpaket bei 15 kW Leistung des Induktors und Vorwärmtemperaturen
von 250 bis 300°C mit Schweißgeschwindigkeiten von 40 bis 120 cm.m-1 ausgeführt
werden.
Im Querschnitt des Schmelzprofils mit Induktor beim Kehlnahtschweißen 8 ist eine deutliche
Erweiterung des Einbrandes gegenüber dem Querschnitt des Schmelzprofils ohne Induktor
beim Kehlnahtschweißen 7 erkennbar.
Auch beim Auftragschweißen von Stählen mit einer Induktorleistung von 24 kW, einer
Vorwärmtemperatur von bis zu 260°C und einer theoretischen Schweißgeschwindigkeit von
bis zu 3 m.m-1, beides erreichbar beim mechanisierten Schweißen am Schweißportal, ist die
Nahtüberhöhung beim Schmelzprofil ohne Induktor 5 deutlich markanter ausgeprägt als es die
Nahtüberhöhung beim Schmelzprofil mit Induktor 6 nachweist.
Al-Guß- und Al-Knetwerkstoffe benötigen aufgrund der besseren elektrischen und Wärme
leitfähigkeit den Eintrag einer Induktorleistung von ca. 30 kW oder mehr mit geringst
möglichem Induktorabstand.
Beim Stumpfnahtschweißen mittels UP-Verfahren kann die Induktorleistung 21 kW betragen,
wobei die Stumpfnahtschweißung Lage 1 und 2 ohne induktiver Vorwärmung gemäß 9.1, 9.2
sowie 10.1, gegenüber der Stumpfnahtschweißung Lage 2 mit induktiver Vorwärmung gemäß
10.2 deutlich schlechtere Einbrandverhältnisse aufweist.
Folgende zusammengefaßt dargestellte Vorteile sollen das Lichtbogenschweißen mit
induktiver Vorwärmung bewerten:
- - Lokale Erwärmung der Schweißnahtzone vermeidet eine spätere Wärmenachbehandlung zum Abbau von Härtespitzen durch Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit.
- - Leistungssteigerung von Lichtbogenschweißprozessen (MIG, MAG, DP) durch Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und Abschmelzleistung.
- - Positive Einflußnahme auf die äußere und innere Nahtgeometrie, wie gewollt besserer Einbrand zum Grundwerkstoff, geringere Kerbwirkung und Nahtüberhöhung.
- - Anpassung der Induktoren auch für das Auftragschweißen und Rollennahtschweiß verfahren in konstruktiver Variabilität möglich.
Claims (10)
1. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung, gekenn
zeichnet dadurch, daß übliche Schweißwerkzeuge wie z. B. Lichtbogenbrenner oder
Rollenelektroden mil einem oder mehreren Induktoren gekoppelt werden, wobei in
Abhängigkeit der zu verbindenden Werkstoffe bzgl. ihrer elektrischen und Wärme
leitfähigkeit sowie ihrer Dicke eine Induktorleistung von ca. 15 bis 30 kW vorgehalten
und in einem Mittelfrequenzbereich des eingesetzten Frequenzumrichters von ca. 9 bis 23 kHz
gearbeitet sowie der jeweils eingesetzte Induktor zur partiell gezielten Vorwärmung
beim Stumpf- oder Kehlnahtschweißen bzw. Auftrag- oder Überlappschweißen speziell
angepaßt ist.
2. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach
Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der angepaßte Induktor, dem Brenner
vorlaufend, im Abstand von ca. 100 mm angeordnet ist und der Abstand zur
Werkstückoberfläche zwischen 1 und 2 mm beträgt.
3. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach
Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß beim Schweißen von unterschiedlich starken
Werkstücken und/oder Werkstoffkombinationen ein Induktor, in Schweißrichtung
gesellen, neben dem Schweißwerkzeug geführt wird.
4. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach
Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine fortlaufende Temperaturmessung im
Bereich des induktiven Vorwärmens vorgenommen wird, die für eine ständig
nachregelbare und auf gleichem Niveau haltbare Einbringung der Streckenenergie nutzbar
ist.
5. Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung gekenn
zeichnet dadurch, daß vorzugsweise warmfeste Stähle und Al-Legierungen behandelt
werden.
6. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung,
gekennzeichnet dadurch, daß Induktoren für die Kehlnaht-, Kehlnahtwurzel- und
Decklagenschweißung (1, 2, 3, 4) als ein- oder zweiwindige Hohlleiterschleifen in
gewölbter oder gerader Form ausgebildet sind.
7. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach
Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß im Bereich der unmittelbaren Wärmeemission
am Induktor (3) ein Weicheisenpaket integriert sein kann.
8. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach
Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß der jeweilige Induktor (1, 2, 3, 4) starr
mit einem Brenner bzw. einer Rollennahtschweißeinrichtung gekoppelt ist.
9. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach
Anspruch 6 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß ein Induktor (1, 2, 3, 4) konzentrisch zu
einem Schweißwerkzeug angeordnet bzw. sein Wirkungsmittelpunkt mit diesem
identisch ist.
10. Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstoffe mit induktiver Vorwärmung nach
Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß beim Verbindungs- oder Auftragschweißen
Induktoren (1, 2, 3, 4), in Schweißrichtung gesehen, auch neben einem Schweißwerkzeug
angeordnet sind.
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| DE (1) | DE10047492A1 (de) |
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