DE102008036077B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen von Metallbändern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Metallbändern, bei welchem die Metallbänder und eine Schweißzone relativ zueinander bewegt werden, die zu verschweißenden Kantenbereiche in der Schweißzone in Kontakt gebracht werden und unter Bildung einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem auch Metallbänder mit hoher Biegeresistenz geschweißt werden können. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass unter Verwendung von mindestens einem der Schweißzone vorgeordneten Erwärminduktor die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder durch Induzieren von Hochfrequenzströmen einseitig erwärmt werden. Auf diese Weise lässt sich gezielt eine Aufbiegung des Kantenbereichs der zu verschweißenden Metallbänder erzeugen, welcher insbesondere eine Spaltbildung bewirkt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schweißen von Metallbändern (2a, 2b).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Metallbändern, bei welchem die Metallbänder und eine Schweißzone relativ zueinander bewegt werden, die zu verschweißenden Kantenbereiche in der Schweißzone in Kontakt gebracht werden und unter Bildung einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schweißen von Metallbändern, mit Mitteln zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen den Metallbändern und einer Schweißzone sowie mindestens einer Schweißvorrichtung, welche die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder auf Schweißtemperatur erhitzt.
• Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden insbesondere zur Fertigung so genannter "tailored strips" verwendet. Die "tailored strips" zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie aus zwei oder mehreren längsnahtgeschweißten Metallbändern mit gegebenenfalls unterschiedlichen Eigenschaften bestehen. Die die "tailored strips" bildenden Metallbänder können sich beispielsweise in der Dicke, in der Güte des Bandmaterials und/oder in der Oberflächenbeschaffenheit unterscheiden. Die zu verschweißenden Metallbänder werden zuerst einem Vorratscoil entnommen und dann einer Schweißvorrichtung zugeführt. Die Längskanten der zu verschweißenden Metallbänder werden im Durchlaufverfahren zumeist unter Bildung eines V-förmigen Spalts zueinander in stumpfe Anlage gebracht. Der Ort der Zusammenführung entspricht dem Ort, an dem mindestens ein Schweißinduktor oder Laserschweißkopf angeordnet ist und an dem die Schweißzone ausgebildet wird. Der Schweißinduktor beispielsweise induziert mittels eines Hochfrequenzwechselfelds Ströme in den zu verschweißenden Kantenbereichen der Metallbänder und erwärmt diese so auf Schweißtemperatur. Anschließend werden die Kantenbereiche gegeneinander gepresst, so dass sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen ihnen ausbildet. Nach der Auskühlung der Schweißnaht können die so gefertigten "tailored strips" auf einem Coil aufgewickelt werden.
• Dieses Verfahren birgt jedoch Nachteile, wenn Metallbänder mit hoher Biegeresistenz verschweißt werden sollen. Eine hohe Biegeresistenz ergibt sich beispielsweise dann, wenn die Dicke eines Bandes einen bestimmten Wert überschreitet oder wenn das Band eine höherfeste bzw. höchstfeste Güte aufweist. In diesen Fällen gestaltet sich die unter Ausbildung eines V-förmigen Spalts ausgeführte Bandzuführung zu der Schweißvorrichtung als schwierig, da die Bänder kaum oder nur unter immensem Aufwand mechanisch gegeneinander verdreht werden können. Die Metallbänder mit hoher Biegeresistenz können aber auch nicht mit durchgehender Anlage der Längskanten der Schweißvorrichtung zugeführt werden, denn beispielsweise für das Hochfrequenzinduktionsschweißen wird insbesondere ein definierter Punkt benötigt, an dem die von den Schweißinduktoren erzeugten Ströme von der Kante des einen Metallbands in die Kante des anderen Metallbands übergehen, um den Induktionsstromkreis zu schließen. Beim Laserschweißen wird dagegen im Schweißpunkt eine sehr hohe Genauigkeit im Hinblick auf den Schweißspalt gefordert. Bei in durchgehender Anlage der Längskanten geführten Metallbändern ist ein derart definierter Punkt jedoch nicht zuverlässig vorhanden.
• Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 28 294 A1 ist ein Verfahren zum werkzeuglosen Profilieren bekannt, das sich die Strahlungswärme mittels eines Lasers zu Nutze macht, um Endlosprofile durch lokalen Wärmeeintrag aus Flachmaterial herzustellen. Bei diesem Verfahren kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass die Oberfläche durch den lokalen Wärmeeintrag angeschmolzen wird und dadurch die Topographie und gegebenenfalls das Gefüge des Metallbandes lokal verändert werden.
• Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchem bzw. mit welcher auch Metallbänder mit hoher Biegeresistenz geschweißt werden können.
• Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass unter Verwendung von mindestens einem der Schweißzone vorgeordneten Erwärminduktor die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder durch Induzieren von Hochfrequenzströmen einseitig erwärmt werden.
• Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Spalt zwischen den Kantenbereichen der zu verschweißenden Metallbänder geschaffen werden kann, indem die Metallbänder einseitig mittels eines Erwärminduktors erwärmt werden. Die durch den Erwärminduktor vorgenommene Erwärmung unterscheidet sich demnach von einer bereits bekannten, beidseitigen Vorwärmung der zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder, wie sie zur Vorbereitung auf den eigentlichen Schweißvorgang ausgeführt wird. Der Erwärminduktor induziert einen geschlossenen Stromkreis auf einer Hauptfläche in dem zu verschweißenden Kantenbereich eines Metallbands. Die von den Induktionsströmen bis zu einer unterhalb der Schweißtemperatur gelegenen Temperatur bewirkte Erwärmung führt zu einer Volumenausdehnung des erwärmten Bereichs. Da die Erwärmung durch den Erwärminduktor lediglich einseitig erfolgt, treten Spannungen zwischen den erwärmten und nicht erwärmten Bereichen auf, so dass eine lokale Kantenaufbiegung ausgebildet wird. Das Metallband wird also teilweise verdreht. Auf diese Weise können die einander gegenüberliegenden Kantenbereiche der zu verschweißenden Metallbänder voneinander fortbewegt werden, so dass sich in dem erwärmten Bereich ein Spalt zwischen den Metallbändern ausbildet. Es ist somit nicht mehr notwendig, einen Spalt mittels auf die Bänder wirkender mechanischer Kräfte auszubilden. Die Spaltbildung findet demnach nicht im Zweidimensionalen in der Ebene der Hauptflächen der Bänder, sondern im Dreidimensionalen durch eine Aufbiegung der Kantenbereiche aus der Ebene der Hauptflächen heraus statt. Der Spalt wird durch die Induktionswärme, welche durch die spezielle Anordnung und den speziellen Betrieb des Erwärminduktors erzeugt wird, thermo-mechanisch und insbesondere berührungslos gebildet.
• Die Anordnung der der Schweißvorrichtung vorgeordneten Erwärminduktoren ist grundsätzlich frei wählbar. Wichtig ist lediglich, dass die Erwärmung einseitig an den Metallbändern vorgenommen wird. So kann es ausreichend sein, die die Kantenaufbiegung bewirkende, einseitige Erwärmung lediglich an einem der zu verschweißenden Metallbänder vorzunehmen. Allerdings ist es auch möglich, die einseitige Erwärmung an beiden Metallbändern vorzunehmen. Dadurch kann die Spaltweite durch einen im Wesentlichen an den gegenüberliegenden Kantenbereichen auftretende, spiegel-symmetrische Kantenaufbiegung vergrößert werden. Die Einseitigkeit der Erwärmung ist darüber hinaus lediglich bezüglich eines Metallbands einzuhalten. Es ist demnach grundsätzlich denkbar, die Kantenbereiche der zu verschweißenden Metallbänder auf unterschiedlichen Seiten zu erwärmen. Dadurch könnte sich die Kantenaufbiegung in unterschiedliche Richtungen ausbilden. Auch der Grad der einseitigen Erwärmung und das Ausmaß der damit einhergehenden Kantenaufbiegung kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, wie es der Zweckmäßigkeit des Verfahrens entspricht.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verschweißung durch die Schweißvorrichtung erst vorgenommen, wenn die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder nach der Erwärmung durch den Erwärminduktor auf Ausgangstemperatur heruntergekühlt sind. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die von den Erwärminduktoren bewirkte Erwärmung zu einer reversiblen Kantenaufbiegung führt. Dann bildet sich die Volumenausdehnung des erwärmten Bereichs während des Erkaltens wieder zurück, so dass ein die Schweißzone bildender Anlagepunkt an den zu verschweißenden Kantenbereichen der Metallbänder gebildet werden kann. Die Volumenausdehnung des Metallbandes kann gezielt durch Temperaturerhöhung und/oder Temperatursenkung geregelt werden, abhängig von der Leistungsbeaufschlagung der Erwärminduktoren.
• Allerdings ist es auch möglich, die Verschweißung durch einen Schweißinduktor vorzunehmen, wenn die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder nach der Erwärmung durch den Erwärminduktor noch nicht auf Ausgangstemperatur heruntergekühlt sind. Auf diese Weise kann die Leistung, welche von den Schweißinduktoren zu erbringen ist, um die zu verschweißenden Kantenbereiche auf Schweißtemperatur zu erwärmen, verringert werden. Die die Kantenaufbiegung bewirkende Erwärmung wird somit zumindest teilweise für den Schweißvorgang benutzt.
• In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens können die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder unterschiedliche Dicken aufweisen. Es ist ferner möglich, dass die Materialien der Metallbänder unterschiedliche Güten und/oder unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen. Auch ist denkbar, dass die Metallbänder unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein "tailored strip" gefertigt werden. Durch das Fügen von Bändern mit unterschiedlichen Eigenschaften sind "tailored strips" sehr vielseitig gestaltbar und können an den jeweiligen Verwendungszweck sehr gut angepasst werden.
• Vorzugsweise werden die Metallbänder durch den Erwärminduktor vorgeordnete und der Schweißvorrichtung nachgeordnete Treiberrollen geführt. Auf diese Weise kann eine definierte Position der zu verschweißenden Metallbänder zueinander zuverlässig gewährleistet werden. Die Treiberrollen können die Metallbänder walzenartig führen. Es ist aber auch möglich, die Treiberrollen kantenseitig an den Metallbändern anzuordnen. Dadurch lässt sich die Kontaktfläche zwischen dem Metallband und den Treiberrollen vermindern.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Metallbänder durch zwischen dem Erwärminduktor und der Schweißvorrichtung angeordnete Richtmittel koplanar ausgerichtet. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn die von dem Erwärminduktor bewirkte Kantenaufbiegung einen nicht vollständig reversiblen Prozess darstellt. Die Richtmittel können dann eine gegebenenfalls nicht wieder ausgeglichene Kantenaufbiegung insbesondere durch mechanische Umformung rückgängig machen, so dass der Schweißvorgang an den dann im Wesentlichen koplanaren Metallbändern ausgeführt werden kann.
• Gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe auch durch eine Vorrichtung zum Schweißen von Metallbändern, mit Mitteln zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen den Metallbändern und einer Schweißzone sowie mindestens einer Schweißvorrichtung, welche die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder auf Schweißtemperatur erhitzt, gelöst, bei welcher auf einer Seite der Metallbänder an den zu verschweißenden Kantenbereichen mindestens ein der Schweißzone vorgeordneter Erwärminduktor vorgesehen ist, welcher die zu verschweißenden Kantenbereiche durch Induzieren von Hochfrequenzströmen erwärmt.
• Hinsichtlich der Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
• Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schweißen auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 9 untergeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
• 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht.
• 1 zeigt in einer schematischen Draufsicht wie zwei Metallbänder 2a, 2b quasi-parallel einer Schweißvorrichtung 4 (in Pfeilrichtung 6) zugeführt werden. Die Schweißvorrichtung 4 kann beispielsweise wenigstens einen Schweißinduktor 18 oder einen Laserschweißkopf 18 (hier lediglich schematisch dargestellt) aufweisen. Es ist aber möglich, auch Schweißvorrichtungen 4 anderer Art, welche zur Ausführung einer Längsnahtschweißung geeignet sind, zu verwenden. Insbesondere können auch Kombinationen verschiedener Schweißvorrichtungen 4 verwendet werden. Die Zuführung als auch die Weiterführung kann mittels Treiberrollen 28 erfolgen, welche jedoch in 1 lediglich gestrichelt dargestellt sind. Die Bänder 2a, 2b weisen in diesem Beispiel eine hohe Biegeresistenz auf, so dass sie der Schweißvorrichtung 4 nur mit großem Aufwand unter Ausbildung eines V-förmigen Spalts zugeführt werden können, wie es sonst beispielsweise beim Hochfrequenzinduktionsschweißen oder Laserschweißen üblich ist. An einer Stelle der Anordnung sind zwei Erwärminduktoren 8a, 8b vorgesehen, welche auf der gleichen, dem Betrachter der 1 zugewandten Seite der Bänder 2a, 2b angeordnet sind. In diesem Beispiel sind die Erwärminduktoren 8a, 8b in C-Form ausgebildet, wobei die Schenkel den zu verschweißenden Kantenbereichen 10a, 10b der Metallbänder 2a, 2b zugewandt sind. Über nicht dargestellte Verbindungen sind die Erwärminduktoren 8a, 8b mit einer Hochfrequenzquelle verbunden, welche den Stromfluss durch die Erwärminduktoren 8a, 8b bewirkt bzw. regelt. Gegebenenfalls kann für jeden Erwärminduktor 8a, 8b eine separate Hochfrequenzquelle vorgesehen sein. Auf diese Weise können die Erwärmungsgrade der beiden Metallbänder 2a, 2b voneinander abweichend eingestellt werden. Ferner sind in der Darstellung der 1 die Erwärminduktoren 8a, 8b auf der gleichen Seite der Metallbänder 2a, 2b angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Erwärminduktoren 8a, 8b auf unterschiedlichen Seiten anzuordnen, wenn eine bestimmte Kantenaufbiegung gewünscht ist.
• Durch die Erwärminduktoren 8a, 8b wird ein Hochfrequenzstrom geleitet, welcher wiederum einen entlang der gestrichelten Linien 12a, 12b verlaufenden Strom an der Hauptfläche im Kantenbereich 10a, 10b erzeugt. Die in die Hauptfläche der Metallbänder 2a, 2b im Kantenbereich 10a, 10b eingekoppelte Energie bewirkt eine einseitige, lokale Erwärmung, wodurch im Metallband 2a, 2b Spannungen zwischen den erwärmten und nicht erwärmten Bereichen entstehen. Diese Spannungen führen zu einer Kantenaufbiegung 14a, 14b. Die einseitig erwärmte Kante 10a, 10b wellt sich zumindest teilweise auf. Der Effekt ist in der 1 stark überzeichnet dargestellt. Auf diese Weise wird ein Spalt 16 zwischen den Kantenbereichen 10a, 10b der zu verschweißenden Metallbänder 2a, 2b erzeugt, welcher unerwünschte Kontakte der Kantenbereiche 10a, 10b vor dem Schweißinduktor bzw. Laserschweißkopf 18 vermeidet.
• Nach der einseitigen Erwärmung und der daraufhin erfolgenden Kantenaufbiegung 14a, 14b der Metallbänder 2a, 2b erkalten die Metallbänder 2a, 2b wieder. Die Kantenaufbiegung 14a, 14b bildet sich in diesem Beispiel zurück. Es ist auch möglich, die Metallbänder 2a, 2b mittels zwischen den Erwärminduktoren 8a, 8b und dem Schweißinduktor bzw. Laserschweißkopf 18 angeordneten Richtmitteln 30 (lediglich gestrichelt dargestellt) in eine zum Hochfrequenzinduktionsschweißen bzw. Laserschweißen geeignete Lage zu bringen. Nach erfolgter Erkaltung liegen die zu verschweißenden Kantenbereiche 10a, 10b der Metallbänder 2a, 2b im in 1 gezeigten Beispiel wieder einander gegenüber, so dass der Induktions- bzw. Laser- oder sonstige Schweißvorgang einsetzen kann.
• Zum Zwecke des Hochfrequenzinduktionsschweißens kann in einem Beispiel die Schweißvorrichtung 4 mit einem Schweißinduktor 18 ausgebildet sein, wie er aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 004 694 A1 bekannt ist. Durch den Schweißinduktor 18 werden die zu verschweißenden Kantenbereiche 10a, 10b der Metallbänder 2a, 2b auf Schweißtemperatur und anschließend in einer Schweißzone 20 in Kontakt gebracht, um den in einer Schweißnaht 24 resultierenden Stoffschluss zu bewirken. Zur Förderung des Stoffschlusses kann noch eine in 1 nicht gezeigte Pressvorrichtung vorgesehen sein, welche die zu verschweißenden Seitenkanten 10a, 10b nach Erhitzung auf Schweißtemperatur gegeneinander presst. Das so gefertigte Metallband 26 kann nun auf einem Coil (nicht gezeigt) aufgewickelt werden.
• Mit dem zuvor erläuterten Verfahren bzw. der zuvor erläuterten Vorrichtung lassen sich insbesondere "tailored strips" herstellen. Diese mehrkomponentigen Metallbänder 26 können beispielsweise bei der Fertigung von Schaltschränken, Möbeln, Abgasanlagen oder Automobilen Verwendung finden. Vorzugsweise bestehen die zu verschweißenden Metallbänder 2a, 2b aus Stahl oder einer Stahllegierung. Die Metallbänder 2a, 2b können darüber hinaus beschichtet oder unbeschichtet sein. In dem zuvor gezeigten Ausführungsbeispiel werden zwei Metallbänder 2a, 2b verschweißt. Es ist natürlich auch möglich, das Verfahren auf mehrere zu verschweißende Bänder anzuwenden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Schweißen von Metallbändern, bei welchem die Metallbänder und eine Schweißzone relativ zueinander bewegt werden, die zu verschweißenden Kantenbereiche in der Schweißzone in Kontakt gebracht werden und unter Bildung einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung von mindestens einem der Schweißzone vorgeordneten Erwärminduktor die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder durch Induzieren von Hochfrequenzströmen einseitig erwärmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung durch die Schweißvorrichtung erst vorgenommen wird, wenn die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder nach der Erwärmung durch den Erwärminduktor auf Ausgangstemperatur heruntergekühlt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung durch die Schweißvorrichtung vorgenommen wird, wenn die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder nach der Erwärmung durch den Erwärminduktor noch nicht auf Ausgangstemperatur heruntergekühlt sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Kantenbereiche der Metallbänder unterschiedliche Dicken aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Metallbänder unterschiedliche Güten und/oder unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbänder unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbänder durch dem Erwärminduktor vorgeordnete und der Schweißvorrichtung nachgeordnete Treiberrollen geführt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbänder durch zwischen dem Erwärminduktor und der Schweißvorrichtung angeordnete Richtmittel koplanar ausgerichtet werden.
9. Vorrichtung zum Schweißen von Metallbändern (2a, 2b), mit Mitteln zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen den Metallbändern (2a, 2b) und einer Schweißzone (20), sowie mindestens einer Schweißvorrichtung (4), welche die zu verschweißenden Kantenbereiche (10a, 10b) der Metallbänder (2a, 2b) auf Schweißtemperatur erhitzt, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite der Metallbänder (2a, 2b) an den zu verschweißenden Kantenbereichen (10a, 10b) mindestens ein der Schweißzone (20) vorgeordneter Erwärminduktor (8a, 8b) vorgesehen ist, welcher die zu verschweißenden Kantenbereiche (10a, 10b) durch Induzieren von Hochfrequenzströmen erwärmt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Erwärminduktor (8a, 8b) vorgeordnete und der Schweißvorrichtung (4) nachgeordnete Treiberrollen (28) vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Erwärminduktor (8a, 8b) und der Schweißvorrichtung (4) angeordnete Richtmittel (30) zur koplanaren Ausrichtung der Metallbänder (2a, 2b) vorgesehen sind.