DE102009056592A1

DE102009056592A1 - Verfahren zur Prozessstabilisierung beim Laserschweißen

Info

Publication number: DE102009056592A1
Application number: DE102009056592A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Wiebe; Claas Dr. Bruns
Original assignee: V&M Deutschland GmbH
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessstißen von metallischen Werkstücken, insbesondere Rohren, bei dem mittels Laserleistungsmodulation die Energieeinbringung in das Schweißbad gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird einem Laserleistungsgrundniveau Pnach einer Zeit tpulsartig wiederholt eine höhere Laserleistung Püberlagert, wobei die Pulsdauer tdes Pulses P1/2 bis 1/20 der Zeit tbeträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessstabilisierung beim Laserschweißen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Sie betrifft die Prozessstabilisierung sowohl beim alleinigen Laser- wie auch beim Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen von Werkstücken, wie z. B. von metallischen Rohren, die mittels dieser Schweißverfahren zu Rohrleitungen verbunden werden.
Unter Rohren werden im Folgenden sowohl kreisrunde Rohre wie auch Hohlprofile mit unterschiedlichen Querschnitten verstanden.
Das Laserstrahlschweißen von Rohren ist allgemein bekannt und es gab stets Bemühungen, den Nahtquerschnitt gegenüber den konventionellen Lichtbogenschweißverfahren, wie dem Lichtbogenhandschweißen oder dem Metallschutzgasschweißen (MSG), deutlich zu verringern und die Schweißzeiten durch höhere Schweißgeschwindigkeiten zu verkürzen, um so die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
Das Laser-MSG-Hybridschweißen kombiniert die Vorteile des Laserstrahlschweißens mit denen des Metallschutzgasschweißens. Laser- und MSG-Prozess bilden bei diesem Verfahren ein gemeinsames Schmelzbad, wobei entweder der Laser oder der MSG-Schweißbrenner den Hybridprozess anführt.
Beispielsweise ist aus der WO 2005/056230 A1 das Laser-MSG-Hybridschweißen von Rohren in Orbitaltechnik bekannt.
In einfachen Schweißpositionen, wie z. B. PA (Wannenposition), PC (Querposition) ist der Schweißprozess beim Orbitalschweißen von Rohren gut zu beherrschen. Probleme bei der Schweißnahtqualität sind jedoch beispielsweise beim Schweißen in Zwangspositionen, wie beim Überkopfschweißen, bei lokalen Schwankungen der Oberflächenqualität der Rohre (Zunder, blanke Oberfläche) oder bei Blechdickenschwankungen zu beobachten.
Hierdurch entstehen Schweißfehler, wie z. B. mangelhafte Wurzelausbildung, die sowohl typisch für zu geringe und zu hohe Laserleistungen (Tropfenbildung an der Wurzel bzw. Ausblasen der Wurzel) sind. Das Prozessfenster für die Schweißparameter wird dabei so klein, dass der Schweißprozess nur noch schwer zu beherrschen ist.
Zur Anpassung der Energieeinbringung in das Schweißbad entsprechend den jeweiligen Erfordernissen ist es z. B. aus den Schriften DE 43 22 608 A1 und DE 40 16 579 C2 bekannt, die Laserleistung zu modulieren.
Diese bekannte Modulation der Laserleistung ist allerdings nicht geeignet, die Schweißfehler zu eliminieren, die beim Schweißen in Zwangsposition, wie dem Überkopfschweißen, entstehenden. Dies gilt für den Laserschweißprozess und insbesondere auch für den Laser-MSG-Hybridschweißprozess.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Prozessstabilisierung beim Laser- und Laser-MSG-Hybridschweißen von metallischen Werkstücken, insbesondere von Rohren, mittels Laserleistungsmodulation anzugeben, welches die beschriebenen Nachteile beim Schweißen insbesondere in Zwangspositionen vermeidet.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird beim Laser- bzw. Laser-MSG-Hybridschweißen einem Laserleistungsgrundniveau P_u nach einer Zeit t_tief pulsartig wiederholt eine höhere Laserleistung P_o überlagert, wobei die Pulsdauer t_hoch des Pulses P_o 1/2 bis 1/20 der Zeit t_tief beträgt.
Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen konnte bei Schweißversuchen zum Oribitalschweißen von Rohren in Überkopfposition im Wurzelbereich ein unregelmäßiges Öffnen und Verschließen der Dampfkapillare beobachtet werden. Dieses Phänomen wird begleitet von einem eruptionsartigen Ausblasen der Schweißnaht.
Offensichtlich kann der Laserstrahl im angemessenen Leistungsbereich in Überkopfposition die Dampfkapillare gegen die Schwerkraft nicht offen halten. Eine Steigerung der Laserleistung führt ohne einen stabilen Prozessbereich zu durchlaufen zu einem sofortigen Ausblasen der Schmelze.
Der erfindungsgemäße Ansatz für eine Prozessstabilisierung durch Laserleistungsmodulation beruht auf der Erkenntnis, einerseits die Laserleistung so gering zu halten, dass die Schmelze beim Schweißen nicht ausgeblasen wird und dass andererseits die Dampfkapillare geöffnet bleibt.
Erfindungsgemäß wird die Modulation im Grundniveau P_u der Laserleistung so eingestellt, dass sich beim Schweißen ohne Modulation, Öffnen und Schließen der Dampfkapillare unregelmäßig abwechseln.
Die erfindungsgemäße pulsartige Überlagerung des Grundniveaus P_u mit einer erhöhten Laserleistung P_o wird dann so gewählt, dass das Leistungsniveau die Kapillare sicher öffnet (was im Dauerstichbetrieb zum Ausblasen führen würde). Das Tastverhältnis muss dabei deutlich zu Gunsten P_u überwiegen, damit keine Schmelze ausgeblasen wird.
Als günstig haben sich hierbei Tastverhältnisse t_tief zu t_hoch von 2:1 bis 20:1 je nach Erfordernis erwiesen. Die Leistungserhöhung des Pulses P_o im Vergleich zum Grundniveau P_u richtet sich nach der Höhe des Grundniveaus und beträgt im Regelfall 2 bis 50% des Grundniveaus. Als besonders günstig haben sich Werte zwischen 5 und 30% erwiesen.
Die Frequenz der Leistungsüberlagerung wird abhängig von der jeweiligen Schweißaufgabe mindestens so hoch eingestellt, dass die Dampfkapillare sich während der Zeit t_tief nicht verschließt.
Das angestrebte Ziel der Prozessstabilisierung kann jedoch nur erreicht werden, wenn außerdem die Frequenz auch nach oben beschränkt ist. Als günstig haben sich hier Frequenzen zwischen 50 und 500 Hz herausgestellt, wobei sich Frequenzen zwischen 70 und 200 Hz als besonders vorteilhaft erwiesen haben.
Bei den angegebenen Frequenzen wird eine periodische Öffnung der Dampfkapillare während des Schweißprozesses erreicht, wobei es weder zu einem Verschluss der Kapillare noch zu einem Ausblasen der Schmelze kommt.
Durch die Erfindung sind deutliche Qualitätsverbesserungen hinsichtlich des Schweißergebnisses beim Orbitalschweißen in Zwangslagen möglich. Außerdem ist die erfindungsgemäße Prozessstabilisierung durch gezielte Laserleistungsmodulation auf einfache und kostengünstige Weise realisierbar.
In der dargestellten einzigen Figur ist die erfindungsgemäße Leistungsmodulation beim orbitalen Laser-MSG-Hybridschweißen eines Rohres in Überkopfposition dargestellt.
Hierbei wird einem Laserleistungsgrundniveau P_u von 9,5 kW nach einer Schweißzeit t_tief = 6 ms ein Laserimpuls P_o mit einer um 9% höheren Leistung des Grundniveaus mit einer Pulsdauer von t_hoch = 0,67 ms überlagert. Das Tastverhältnis t_tief/t_hoch beträgt im vorliegenden Fall 9:1 bei einer Frequenz von 150 Hz.
Als Ergebnis wurde eine völlig fehlerfreie Schweißnaht mit sehr guter Wurzelausbildung erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2005/056230 A1 [0005]
DE 4322608 A1 [0008]
DE 4016579 C2 [0008]

Claims

Verfahren zur Prozessstabilisierung beim Laser- und Laser-MSG-Hybridschweißen von metallischen Werkstücken, insbesondere Rohren, bei dem mittels Laserleistungsmodulation die Energieeinbringung in das Schweißbad gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass einem Laserleistungsgrundniveau P_u nach einer Zeit t_tief pulsartig wiederholt eine höhere Laserleistung P_o überlagert wird, wobei die Pulsdauer t_hoch des Pulses P_o 1/2 bis 1/20 der Zeit t_tief beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung P_o um den Faktor 1,02 bis 1,5 des Laserleistungsgrundniveaus P_u erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung P_o um den Faktor 1,05 bis 1,3 des Laserleistungsgrundniveaus P_u erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz zwischen 50 bis 500 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz zwischen 70 und 200 Hz liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistungsmodulation beim Orbitalschweißen von Rohren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistungsmodulation während des Schweißens in Zwangsposition erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwangsposition die Überkopfposition ist.