DE102007001766A1 - Method for the continuous laser-supported welding of thin-walled flexible rotationally symmetrical components comprises using an oscillating component guide and welding the components axially - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum lasergestützten Schweißen, die insbesondere zum kontinuierlichen Fügen von dünnwandigen, flexiblen, rotationssymmetrischen Bauteilen aus Edelstahl geeignet ist. Bauteile, die beispielsweise mit dem beschriebenen Verfahren gefertigt werden können, sind flexible Leitungselemente. Sie werden zum Ausgleich von Einbautoleranzen und zur Entkopplung von Betriebsschwingungen in Leitungssystemen eingesetzt.The The invention relates to a method and a device for laser-assisted Welding, especially for continuous joining thin-walled, flexible, rotationally symmetrical components made of stainless steel is suitable. Components, for example, with the described methods can be made, are flexible Line elements. They will compensate for installation tolerances and for the decoupling of operating vibrations in piping systems used.
Vergleichbare Produkte, deren Herstellung ebenfalls eine Schweißoperation erfordert, sind beispielsweise Membranbälge, Wellrohre und ein- oder mehrlagige Metallbälge.comparable Products whose manufacture is also a welding operation requires, for example, diaphragm bellows, corrugated pipes and single or multi-layer metal bellows.
Bei Wellrohren und Metallbälgen werden in der Regel zunächst dünnwandige Rohre aus ebenem Bandmaterial kontinuierlich eingeformt, so dass die Bandkanten der entstehenden, hohlzylinderförmigen Geometrie stumpf voreinander stehen. Im weiteren Prozessverlauf wird die so erzeugte Vorform meist unter einer stationären Schweißquelle hindurchgeführt und in einem kontinuierlichen Schweißverfahren stoffschlüssig gefügt. Im Anschluss an die Rohrherstellung werden die Wellungen angeformt. Die Prozessfolge sieht somit bei Wellrohren und Metallbälgen zunächst die Umformung der Rohrgeometrie, anschließend das stoffschlüssige Fügen und abschließend die Umformung der Wellen vor.at Corrugated pipes and metal bellows are usually first thin-walled tubes made of flat strip material continuously molded so that the band edges of the resulting hollow cylindrical geometry dull in front of each other. As the process progresses, so will produced preform usually under a stationary welding source passed through and cohesively in a continuous welding process together. After the pipe production, the Corrugations molded. The process sequence thus looks at corrugated pipes and Metallbälgen first the deformation of the tube geometry, then the cohesive joining and finally the deformation of the waves.
Insbesondere bei Rohrdurchmessern größer 100 mm und Blechdicken kleiner 0,4 mm ist eine kontinuierliche Einformung der Geometrie aus ebenem Bandmaterial schwierig, da die entstehenden Vorformen instabil werden, was eine exakte Positionierung der Schweißnaht erschwert. Die Fertigung von Rohren, die die Vorform von Wellrohren und Metallbälgen in diesen Verhältnissen von Durchmesser zu Dicke beschreiben, ist oftmals nur aus Platinenmaterial möglich und kann daher nicht in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess erzeugt werden. Diese Einschränkung begrenzt oftmals die erzielbaren Rohrlängen und somit auch die Längen der Fertigteile.Especially for pipe diameters greater than 100 mm and sheet thicknesses less than 0.4 mm is a continuous shaping of the geometry made of flat strip material difficult because the resulting preforms become unstable, resulting in an exact positioning of the weld difficult. The production of pipes, which are the preform of corrugated pipes and metal bellows in these ratios of diameter to describe thickness, is often possible only from board material and therefore can not be in a continuous manufacturing process be generated. This restriction often limits the achievable tube lengths and thus the lengths the finished parts.
Zusammenfassend zeichnet sich der dargestellte Stand der Technik durch folgende Charakteristiken aus. Als dünnwandige, flexible und rotationssymmetrische Bauteile sind vor allem Membranbälge, Wellrohre und Metallbälge etabliert. Membranbälge können nicht in einem kontinuierlichen Schweißverfahren hergestellt werden. Wellrohre und Metallbälge werden meist aus in Längsrichtung geschweißten Rohren hergestellt. Die Umformung der Wellungen erfolgt im Anschluss an die Herstellung des Rohres. Insbesondere bei Durchmessern größer 100 mm und Blechdicken kleiner 0,4 mm ist die kontinuierliche Rohrherstellung problematisch.In summary The illustrated prior art is characterized by the following Characteristics. As thin-walled, flexible and rotationally symmetrical Components are mainly diaphragm bellows, corrugated pipes and metal bellows established. Membrane bellows can not in one continuous welding process can be produced. corrugated pipes and metal bellows are mostly made in the longitudinal direction welded pipes produced. The deformation of the corrugations takes place after the production of the pipe. Especially for diameters greater than 100 mm and sheet thicknesses smaller than 0.4 mm, continuous tube production is problematic.
Zur Rohrherstellung werden meist WIG- oder Mikroplasma Schweißtechnologien eingesetzt. Mit Lasertechnologie können zwar höhere Schweißgeschwindigkeiten erzielt werden, jedoch sind sowohl die mechanische Vorbehandlung der Schweißstelle als auch die exakte Positionierung der zu fügenden Kanten im Vergleich zum WIG- oder Mikroplasma Schweißen anspruchsvollere technologische Aufgaben.to Pipe manufacturing is mostly TIG or microplasma welding technologies used. With laser technology, although higher Welding speeds are achieved, however, both the mechanical pretreatment of the weld as well as the exact positioning of the edges to be joined in comparison for TIG or micro plasma welding more sophisticated technological Tasks.
Kontinuierliche Schweißungen können derzeit nur längsorientiert an Rohren erzielt werden. Schweißen als abschließende Operation in der Prozesskette kommt nur diskontinuierlich bei der Fertigung von Membranbälgen zum Einsatz.continuous Welds can currently only be longitudinally oriented be achieved on pipes. Welding as final Operation in the process chain comes only discontinuously at the Production of membrane bellows for use.
Insbesondere bei hohen Schweißgeschwindigkeiten, wie sie mit einer Laserschweißung erzielbar sind, haben Wärmeverzug, Wärmeeigenspannungen und Anlassfarben als visueller Effekt einen negativen Einfluss auf die Bauteilqualität.Especially at high welding speeds, as with a laser welding can be achieved have heat distortion, thermal stresses and tempering colors have a negative impact as a visual effect the component quality.
Aufgabe
der Erfindung ist es daher ein Verfahren sowie die zugehörige
Vorrichtung zum kontinuierlichen, lasergestützten Schweißen
dünnwandiger, rotationssymmetrischer Bauteile bereitzustellen, dass
die oben beschriebenen technologischen Gegebenheiten und Grenzen
erweitert (
Erstens soll das Verfahren und die Vorrichtung die kontinuierliche, fügetechnische Fertigung von großen, flexiblen, dünnwandigen, rotationssymmetrischen Teilen in beliebiger Länge ermöglichen. Hierbei ist entscheidend, dass das Schweißen als abschließende, kontinuierliche Operation in der Prozesskette zum Einsatz kommen kann.First the method and the device, the continuous, joining technical Production of large, flexible, thin-walled, allow rotationally symmetric parts in any length. in this connection is crucial that welding as final, continuous operation in the process chain are used can.
Zweitens sollen Verfahren und Vorrichtung große Schweißgeschwindigkeiten in einem stabilen Fertigungsprozess ermöglichen und dabei negative Effekte durch Wärmeeinfluss weitgehend vermeiden.Secondly Both methods and apparatus are designed to achieve high welding speeds enable in a stable manufacturing process and thereby Avoid negative effects due to the influence of heat.
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein lasergestütztes
Schweißen gelöst, bei dem dünnwandige
Blechelemente nicht radial von außen wie bei der Membranbalgherstellung,
sondern axial, unmittelbar unterhalb des größten
Außendurchmessers verschweißt werden. Die Vorrichtung
zum Positionieren (
Die
axial unmittelbar unterhalb des größten Außendurchmessers
des rotierenden Bauteils (
Erstens werden die zu verschweißenden Bleche im Vorfeld der Schweißung durch die wirkenden Axialkräfte miteinander in Kontakt gebracht, wobei Oberflächenrauhigkeiten und eventuell vorhandener Grat eingeebnet werden. So kann eine dem Laserschweißen oftmals vorhergehende Bearbeitung der Bandkanten entfallen.First become the sheets to be welded in the run-up to the welding in contact with each other by the acting axial forces brought surface roughness and possibly existing Burr be leveled. So can the laser welding often previous processing of the band edges omitted.
Zweitens positioniert die oszillierende Bewegung die Bleche im Schweißbereich zueinander. Die Verschweißung erfolgt vorzugsweise im Laser-Pulsbetrieb, wobei die oszillierende Axialbewegung der Vorrichtung und die Pulsationsfrequenz des Lasers miteinander synchronisiert erfolgen. Idealerweise startet ein Laserpuls kurz nach dem Anlegen der Axialkraft und wird kurz vor dem Lösen der Axialkraft beendet. Die Pulszeiten sind somit stets kleiner als die Wirkzeiten der Axialkraft und liegen stets innerhalb des Zeitintervalls, in dem die Axialkraft an den zu verschweißenden Blechen anliegt. Gleichermaßen können während eines Zeitintervalls, in dem die Axialkraft an den zu verschweißenden Blechen anliegt, auch mehrere Laserpulse erfolgen.Secondly The oscillating movement positions the sheets in the welding area to each other. The welding is preferably carried out in laser pulse mode, wherein the oscillating axial movement of the device and the pulsation frequency of the laser synchronized with each other. Ideally, it starts a laser pulse shortly after the application of the axial force and becomes short ended before releasing the axial force. The pulse times are thus always smaller than the effective times of the axial force and are always within the time interval in which the axial force on the to be welded sheets. equally can during a time interval in which the Axialkraft rests against the sheets to be welded, too several laser pulses take place.
Drittens trägt die sich mit dem Bauteil im oszillierenden Eingriff befindliche Vorrichtung zur Kühlung und zur Reduzierung der beim Schweißen entstehenden Eigenspannungen bei. Die Reduzierung der Eigenspannungen erfolgt durch die oszillierende Bewegung, die eine mechanische Operation am Bauteil bewirkt, welche einem Hämmern ähnlich ist. Die Kühlung erfolgt maßgeblich durch den metallischen Kontakt zwischen Vorrichtung und Bauteil. Zur Einstellung eines im Serienbetrieb stationären Temperaturprofils werden die im Kontakt mit dem Bauteil befindlichen Teile der Vorrichtung gekühlt. Unterschiedliche Kühlkreisläufe für die der Schweißposition voreilende und die der Schweißposition nacheilende Zone haben sich als günstig erwiesen. Dies vor allem, weil die Kühlleistung in der der Schweißposition nacheilenden Zone um den Faktor drei bis zehn größer sein muss. Mehrere Temperatursensoren messen das Temperaturprofil im Innern der Vorrichtung und sind gleichzeitig die Eingangsgrößen für eine Temperaturregelung.thirdly it carries out an oscillating engagement with the component located device for cooling and reducing the resulting internal stresses during welding. The Reduction of residual stresses occurs through the oscillating motion, which causes a mechanical operation on the component, which one Hammering is similar. The cooling takes place mainly due to the metallic contact between the device and component. For setting a steady-state operation Temperature profiles are those in contact with the component Parts of the device cooled. Different cooling circuits for the welding position leading and the the welding position lagging zone have proved favorable proved. This is mainly because the cooling capacity in the the welding zone lagging zone by a factor of three until ten must be bigger. Measure several temperature sensors the temperature profile inside the device and are simultaneously the input variables for a temperature control.
Die stoffschlüssige Fügung wird durch eine gepulste Laserschweißung realisiert. Zur Erzielung hoher Schweißgeschwindigkeiten sind Laserquellen vorteilhaft, die eine hohe Energiedichte haben. Wellenlängen des Laserstrahls von 1070 Nannometern, die z. B. von einem Ytterbium-Faserlaser erzeugt werden können, sind besonders geeignet.The cohesive joining is by a pulsed Laser welding realized. To achieve high welding speeds are advantageous laser sources that have a high energy density. Wavelengths of the laser beam of 1070 nanometers, the z. B. can be generated by an ytterbium fiber laser, are particularly suitable.
Die Schweißung erfolgt kontinuierlich und ist die letzte Operation in der Prozesskette zur Herstellung des Bauteils. Die vorab umgeformten Geometrien des flexiblen, dünnwandigen, rotationssymmetrischen Teils laufen kontinuierlich in die ortsfeste Schweißvorrichtung ein. Im Gegensatz zu den meisten Membranbälgen, Wellrohren und Metallbälgen ist die Geometrie des in die Schweißvorrichtung einlaufenden Teils am Außenumfang schraubenlinienförmig. Diese Schraubenlinienform ist eine Voraussetzung für die kontinuierliche Schweißung.The Welding is continuous and is the last operation in the process chain for the production of the component. The pre-formed Geometries of the flexible, thin-walled, rotationally symmetric Partly run continuously in the stationary welding device one. Unlike most diaphragm bellows, corrugated pipes and metal bellows is the geometry of the welding device incoming part on the outer circumference helically. This helical shape is a prerequisite for the continuous welding.
Die
zum Verfahren gehörende Vorrichtung besteht aus einer Grundplatte,
der Bauteilführung (
Auf
der Grundplatte ist die Bauteilführung (
Die
Bauteilführung (
Die
Bauteilführung besteht aus einem temperaturbeständigen
Stahl, vorzugsweise aus einem austenitischen Chrom-Nickel Stahl,
und ist mit Kühlkanälen versehen. Ferner sind
in der Bauteilführung pro Seite mindestens fünf
Adaptionsstellen (
Der
Aktuator (
Das
Kühlaggregat wird zur Kühlung der Bauteilführung
eingesetzt. Neben dem eigentlichen Kühlaggregat sind Schnittstellen
für einseitig fünf bzw. zweiseitig zehn Temperatursensoren
(
Neben
der kontinuierlichen Verschweißung von zwei dünnwandigen,
rotationssymmetrischen Bauteile kann eine Variante der beschriebenen
Vorrichtung für das zeitgleiche Verschweißen von
zwei mal zwei dünnwandigen, rotationssymmetrischen Bauteilen
eingesetzt werden, falls die zu fertigende Geometrie dies erfordert
(
Neben der Anwendung zur Herstellung von flexiblen Leitungselementen sind das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung auch zur Herstellung anderer technologischer Bauelemente geeignet. Beispielhaft werden hierzu die Anwendungen Druckausgleichsbehälter, Taylored Blanks für den Karosseriebau, Filtermatten sowie Rohrleitungen für die Klimatechnik genannt.Next the application for the production of flexible conduit elements are the method described and the device described also suitable for the production of other technological components. exemplary For this purpose, the applications surge tank, Taylored blanks for the body shop, filter mats as well Piping for air conditioning called.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - DE 4434134 A1 [0005] - DE 4434134 A1 [0005]
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- 2007-01-05 DE DE102007001766A patent/DE102007001766A1/en not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|
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