DE19608074C2 - Verfahren zum Schweißen von relativbewegten Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Beim Schweißen mit Hochenergiestrahlung kommen als Schweißenergiequellen vornehmlich kommerziell erhältliche La­ ser zum Einsatz. Deren hohe Energiedichte hat ein großes Schachtverhältnis zur Folge, also eine große Nahttiefe bei zugleich geringer Nahtbreite, sowie hohe Temperaturgradien­ ten. Mit den heute verfügbaren Strahlquellen können Grobble­ che mit Dicken bis zu 25 mm unter Ausnutzung des Tiefschweiß­ effekts einlagig verschweißt werden. Bei speziellen Nähten bedarf es einer sorgfältigen Nahtvorbereitung, z. B. beim Schweißen von I-Stößen. Häufig ist es beim Schweißen von Ble­ chen mit insbesondere größeren Dicken erforderlich, Zusatz­ werkstoff einzusetzen und/oder besondere Strahlformung durch­ zuführen, z. B. Twin-Spot- oder elliptische Strahlformung, um die Nahtgeometrie in engen Grenzen beeinflussen zu können. Hierdurch sinken jedoch die Einbrandtiefe bzw. die Schweißge­ schwindigkeit.

Zum Schweißen von Grobblechen ist es auch allgemein be­ kannt, Lichtbogenschweißverfahren einzusetzen. Diese Verfah­ ren sind durch eine vergleichsweise geringe Energiedichte ge­ kennzeichnet, woraus breite Nähte mit geringer Einbrandtiefe resultieren. Es ist ein hoher Energieeintrag die Regel, der jedoch thermischen Verzug zur Folge hat, der nur durch an­ schließendes, meist manuelles Richten kompensiert werden kann.

Des weiteren ist es allgemein bekannt, das Laserstrahl­ schweißen mit dem Lichtbogenschweißen derart zu kombinieren, daß beide eine gemeinsame Prozeßzone benutzen, wobei der Lichtbogen in der Dampfkapillaren der Laserstrahlung fußt. Hierbei müssen jedoch besondere Maßnahmen getroffen werden, um zu erreichen, daß die Energieeinkopplung in dieselbe Pro­ zeßzone gewährleistet bleibt. Diese bekannten Koppelverfahren sollen die Vorschubgeschwindigkeit bzw. die Einschweißtiefe beim Schweißen erhöhen. Die vorgenannten, allgemein bekannten Koppelverfahren werden mit den eingangs genannten Verfahrens­ schritten durchgeführt.

Bei dem vorerwähnten Koppelverfahren ist durch die Be­ dingung einer gemeinsamen Prozeßzone eine hinsichtlich Kerb­ wirkung günstige Nahtgeometrie nur bedingt einstellbar. Bei­ spielsweise ergeben sich Nahtquerschnittsgestaltungen, die eine erhöhte oder vergleichsweise große Kerbwirkung ausüben. Derartige Kerbwirkungen wirken sich insbesondere bei dynami­ scher Belastung des Werkstücks ungünstig auf die Dauer- bzw. Betriebsfestigkeit aus.

Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen sind aus der US 4 507 540 bekannt. Mit diesen bekannten Verfahren soll erreicht werden, daß der Laserstrahl und der Lichtbogen einen gemeinsamen Prozeßbereich haben, bei dem Lichtbogenplasma im Wurzelbereich der Laserschweißung auftritt. Um das zu errei­ chen, wird der Abstand zwischen der Auftreffstelle des Laser­ strahls und der Stellung des Lichtbogenbrenners vor Beginn des Schweißens für eine bestimmte Schweißaufgabe auf einen vorbestimmten Abstand fixiert.

Aus Patent Abstracts of Japan. M-1710, 1994, Vol. 18, No. 616, JP 06-238 474 A ist ein Hybridschweißverfahren be­ kannt, bei dem eine Temperaturerfassung des Schweißbereichs erfolgt. Eine TIG-Schweißelektrode ist am Laserbearbeitungs­ kopf fixiert und die Höheneinstellung beider sowie deren Vor­ schub können entsprechend der erfaßten Temperatur einheitlich gesteuert werden.

Aus Patent Abstracts of Japan, M-1691, 1994, Vol. 18, No. 554. JP 06-198 472 A ist ein Hybridschweißverfahren be­ kannt, bei dem der Neigungswinkel der Elekrode zum Schweiß­ material und der Abrißabstand dieser Schweißelektrode zur Schweißoberfläche gesteuert werden, um Einbrandkerben zu ver­ meiden, die sich durch eine unzureichende Benetzung mit ein­ ander zu verschweißender Flächen eines Schweißstoßes durch Metallschmelze ergeben können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten so zu verbessern, daß die von beiden Schweißenergiequellen einge­ brachte Energie im Sinne einer Verbesserung der Betriebsfe­ stigkeit der Schweißverbindung eingesetzt werden kann. Es soll ein Schweißen in einer Wärme erfolgen, ohne daß Wechsel­ wirkungen im Prozeßbereich der beiden Schweißenergiequellen auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichen­ teils des Anspruchs 1 gelöst.

Für die Erfindung ist wesentlich, daß von dem Grundsatz abgewichen wird, der Lichtbogen und die Hochenergiestrahlung bzw. die Laserstrahlung sollten möglichst an ein und dersel­ ben Stelle des Werkstücks wirken und dort ihre Energie in ei­ ne gemeinsame Prozeßzone in das Werkstück einkoppeln. Viel­ mehr ist es für die Erfindung von Bedeutung, daß dies gerade nicht geschieht, obwohl natürlich auch bei dem hier vorlie­ genden Verfahren der Lichtbogen im Schweißbereich des Werk­ stücks fußt, also in demjenigen Werkstücksbereich, der von der Hochenergiestrahlung beaufschlagt wird. Demzufolge ist zwischen den Auftreffstellen der Energieüberträger der beiden Schweißenergiequellen, nämlich der Hochenergiestrahlung ei­ nerseits und dem Lichtbogen andererseits, ein Abstand, der nicht unterschritten werden darf. Andererseits sollte der Ab­ stand nicht so groß sein, daß das Werkstück mit der zweiten Hochenergiestrahlungsquelle erst dann bearbeitet wird, wenn es wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Infolgedes­ sen wird das Verfahren in einer Wärme durchgeführt. Das er­ höht die Prozeßeffizienz durch Senkung der Wärmeleitungsver­ luste im Bauteil. Dieser Einsatz zweier voneinander unabhän­ giger Prozesse bringt eine erhöhte Flexibilität mit sich. Beispielsweise kann infolgedessen die Nahtgeometrie durch das Lichtbogenschweißen eingestellt werden. Etwa im Sinne einer verbesserten Betriebsfestigkeit des geschweißten Werkstücks. Auch die Prozeßregelung ist auf andere Weise möglich. Bei­ spielsweise kann die durch die erste Schweißenergiequelle hergestellte Naht überwacht werden. Entsprechend dem Überwa­ chungsergebnis wird die nachfolgende Prozeßregelung unter­ schiedlich durchgeführt, z. B. in Abhängigkeit von der Ermitt­ lung von Schweißfehlern, wie Nahteinfall. Im Fall einer spaltbehafteten Kantenvorbereitung können das Fehlvolumen der Lasernaht und evtl. Einbrandkerben kompensiert werden.

Das Verfahren kann vorteilhafterweise so durchgeführt werden, daß der Lichtbogen abstandsgesteuert im Schmelzbad fußt. Beim Schweißen mit Hochenergiestrahlung bzw. mit Laser­ strahlung hat das Schmelzbad in Vorschubrichtung des Werk­ stücks meist eine erhebliche Erstreckung. Infolgedessen kann der Lichtbogen in das Schmelzbad eingekoppelt werden, ohne daß es dadurch zu einem Fußen des Lichtbogens in der Dampfka­ pillaren des Werkstücks kommt. Andererseits ist der Energie­ verlust bei diesem Verfahren besonders gering, weil die Wär­ meleitungsverluste im Bauteil besonders klein gehalten werden können.

Eine sehr zweckmäßige Verfahrensvariante besteht darin, daß die Hochenergiestrahlungsquelle eine Teil- oder Vollver­ bindung zweier Werkstückteile besorgt, und ein Verschweißen nur eines Oberflächenbereichs der Naht mittels Lichtbogens durchgeführt wird. Insbesondere hierbei ist eine wunschgemäße Einstellung der Nahtgeometrie möglich. Beispielsweise kann die Nahtgeometrie so gestaltet werden, daß die aus der Schweißverbindung resultierende Kerbwirkung minimiert wird. Die geringe Energiedichte des Lichtbogens hat einen breiten Prozeßbereich zur Folge, durch den die Nahtoberseite anforde­ rungsgerecht modelliert werden kann, beispielsweise im Sinne einer Hohlnaht, einer Flachnaht oder einer Wölbnaht.

Vorteilhaft ist es, das Verfahren so durchzuführen, daß beim Verschweißen mittels Lichtbogens Zusatzwerkstoff verwen­ det wird. Der Zusatzwerkstoff aus z. B. abschmelzender Draht­ elektrode ermöglicht es, große Werkstoffmengen in vorbestimm­ ten Abschnitten des Schweißbereichs des Werkstücks anzula­ gern. Auch wenn vorrangig auf die Möglichkeit des einlagigen Schweißens abgezielt wird, ist ein solches Anlagern von Zu­ satzwerkstoff jedoch auch mehrlagig möglich. In diesem Fall werden die zuvor verschweißten Lagen durch den Laser­ strahl in hohem Maße aufgeschmolzen und dadurch vergütet. Sanfte und kerbarme Übergänge zwischen im Winkel zueinander angeordneten Oberflächen der Werkstücke werden ermöglicht.

Der Einsatz der Schweißenergiequellen ist sehr flexibel möglich. Beispielsweise kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß die Hochenergiestrahlung von der einen Werkstück­ seite das Werkstück durchschweißt, und daß der Lichtbogen auf der anderen Werkstückseite einwirkt. Hierbei wird insbesonde­ re ausgeschlossen, daß sich oberhalb desselben Oberflächenbe­ reichs benachbarte ionisierte Volumina gegenseitig beeinflus­ sen. Das ist nicht auszuschließen, wenn diese Volumina so stark ionisiert sind, so daß sich der Lichtbogen zum Laser­ strahl hinzieht, so daß er bzw. sein Fußpunkt zur Vermeidung eines Zusammenfallens der Prozeßzonen von der Dampfkapillaren weiter entfernt gehalten werden muß. Derartiges wird ausge­ schlossen, wenn die Hochenergiestrahlung auf der einen Werk­ stückseite und der Lichtbogen auf der anderen Werkstückseite angewendet werden, wenn im Wurzelbereich der Laserstrahl­ schweißung kein Plasma auftritt.

Weitere Verfahrenskombinationen werden dadurch erreicht, daß beidseitig mittels Hochenergiestrahlung und/oder mittels Lichtbogens geschweißt wird. Beidseitiges Schweißen mittels Hochenergiestrahlung ist das sogenannte Simultan-Schweißen, das durch die Vereinigung der beiden Dampfkapillaren defi­ niert ist, wobei im Vergleich zum herkömmlichen, einstrahli­ gen Schweißen entsprechend größere, praktisch doppelt so große Werkstückdicken einlagig geschweißt werden können. Das Schweißen mit beidseitigem Lichtbogen vergrößert den Energie­ eintrag entsprechend bzw. ermöglicht es, zwei Schweißnähte gleichzeitig zu bearbeiten, z. B. beim Simultan-Schweißen eines T-Stosses. Dabei versteht es sich, daß auch solche Ver­ fahrenskombinationen durchgeführt werden können, bei denen auf einer Werkstückseite mit Hochenergiestrahlung geschweißt wird, bei beidseitigem Lichtbogen, wie auch simultanes Hoch­ energiestrahlschweißen mit einseitigem Lichtbogen.

Um das Verfahren zu optimieren, wird es so durchgeführt, daß die Position der Dampfkapillaren und die Position des Fußpunktes des Lichtbogens an der Oberfläche des Werkstücks meßtechnisch ermittelt werden, und daß das Meßergebnis von einer Prozeßregelung dazu benutzt wird, einen vorbestimmten Abstand konstant zu halten. Die meßtechnische Ermittlung des Abstandes zwischen der Position der Dampfkapillaren und der Position des Fußpunktes des Lichtbogens ermöglicht eine Auto­ matisierung des Verfahrens, insbesondere auch bei sich än­ dernden Verfahrensparametern. Sich ändernde Werkstückdicke oder Änderung in der Formgebung der Werkstücke können dazu führen, daß der in Rede stehende Abstand geändert werden muß. Eine automatische Änderung unter Einschaltung einer Prozeßre­ gelung führt zu Vorteilen bei der Produktion mit dem Verfah­ ren. Beispielsweise ist das Verfahren weniger abhängig von sich ändernden Geometrien der Werkstücke und/oder es kann schneller bei geringerem Störungsrisiko geschweißt werden.

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß zwei zweite, als Lichtbogeneinrichtungen ausgebildete Schweißener­ giequellen verwendet werden, von denen mit der einen Zusatz­ werkstoff in die noch nicht verschweißte Fuge eingebracht wird und von denen der Lichtbogen der anderen in dem noch nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlten Wärmeeinwirkungsbe­ reich der Hochenergiestrahlung fußt. Diese Verfahrensvariante kann insbesondere bei größeren Spalten eingesetzt werden. Der vorlaufende Lichtbogenprozeß bringt Zusatzwerkstoff so in die Fuge ein, daß die nachfolgende Hochenergiestrahlung bzw. La­ serstrahlung stets mit Material wechselwirkt und dadurch eine ununterbrochene Ausbildung der Dampfkapillaren sichergestellt ist. Außerdem erfolgt durch die zusätzliche Energieeinkopp­ lung eine Vorwärmung. Der der Hochenergiestrahlung nachlau­ fende Lichtbogenprozeß kann dem weiteren Auffüllen der Fuge bzw. der Einstellung des gewünschten a-Maßes dienen.

Insbesondere die vorbeschriebene Verfahrensvariante kann derart ausgestaltet werden, daß die eine, im noch nicht ver­ schweißten Bereich der Fuge wirkende zweite Schweißenergie­ quelle mit einem Bearbeitungskopf der Hochenergiestrahlungs­ quelle oder mit der anderen zweiten Schweißenergiequelle starr gekoppelt wird, wobei die Abstandssteuerung zwischen einer der zweiten Schweißenergiequellen und der die Dampfka­ pillare ausbildenden ersten Schweißenergiequelle wirkt. Bei der Koppelung muß durch entsprechende Abstandsbemessung si­ chergestellt werden, daß durch den eingebrachten Zusatzwerk­ stoff keine Nahtüberhöhung erzeugt wird. Weiterhin muß der Abstand zwischen dem vorlaufenden, also im Bereich der noch nicht verschweißten Fuge wirkenden Lichtbogen und der Dampf­ kapillaren ausreichend groß sein, um ein Zuschütten dieser Dampfkapillaren durch das relativ vorlaufende Schmelzbad aus­ zuschließen.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schweißen gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Werkstück, wobei zwei Werkstückteile im Sinne eines T-Stoßes miteinander zu verschweißen sind.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Werkstück 10, eine erste Schweißenergiequelle 11 und eine zweite Schweißenergiequelle 14. Das Werkstück 10 ist ein Grobblech, das in Bezug auf die Schweißenergiequellen 11, 14 entsprechend den Koordinaten x, y und z angeordnet ist. Mit Bezug auf die Fokussieroptik der Schweißenergiequelle 11 ist eine Rotati­ onsachse ϕ angegeben, die mit der Z-Koordinatenachse zusam­ menfallen soll. Die Schweißenergiequelle 11 wird durch einen Fokussierspiegel 20 symbolisiert, der Bestandteil einer Optik eines Bearbeitungskopfs der Schweißenergiequelle 11 ist. Mit dem Fokussierspiegel 20 wird Hochenergiestrahlung 17, nämlich Laserstrahlung auf das Werkstück 10 fokussiert. Dabei wird so verfahren, daß sich eine Dampfkapillare 13 ausbildet, was bei Überschreiten der material- und werkstoffspezifischen kriti­ schen Schwellintensität erfolgt. Das Werkstück 10 wird rela­ tiv zur Hochenergiestrahlung 17 in der Richtung des Pfeils 29 mit der Relativgeschwindigkeit v_S bewegt, so daß sich eine Schmelzfront 21 ausbildet, die infolge der Bewegung des Werk­ stücks 10 vergleichsweise schmal ist, während das Schmelzbad bzw. die Schmelzbadschleppe 18 hinter der Dampfkapillaren 13 vergleichsweise voluminös ist und sich insbesondere in Rich­ tung auf die Werkstückoberfläche 22 vergrößert. Der schraf­ fiert dargestellte Bereich 12 des Werkstücks 10 kennzeichnet die Schweißnaht nach dem Erstarren der Schmelze.

Außer der ersten Schweißenergiequelle 11 ist eine zweite Schweißenergiequelle 14 vorhanden, nämlich eine Lichtbogen­ schweißeinrichtung. Es ist symbolisch lediglich eine Halte­ rung 23 für einen Brenner 24 dargestellt, mit dem Schutzgas in den Bereich der Elektrode 25 geblasen wird, von der ein Lichtbogen 16 ausgeht, der einen Fußpunkt 16' auf der Werk­ stückoberfläche 22 aufweist. Der Lichtbogen 16 fußt im Schmelzbad 18. Es ist aber auch möglich, ihn außerhalb des Schmelzbades 18 fußen zu lassen, beispielsweise in der dop­ pelten in Fig. 1 dargestellten Entfernung von der Dampfkapil­ laren 13, die infolge der Fokussierung der Hochenergiestrah­ lung 17 ausgebildet wird. In diesem in der Richtung des Pfeils gelegenen Bereich ist die Schmelze bzw. der Nahtwerk­ stoff zwar bereits erstarrt, jedoch noch nicht auf Umgebungs­ temperatur abgekühlt. Es ist also nur eine vergleichsweise geringe Energie notwendig, um den Nahtbereich auch hier wie­ der aufzuschmelzen und die Nahtquerschnittsgeometrie zu be­ einflussen. Auch hier findet also noch ein Schweißen in einer Wärme statt. Andererseits versteht es sich, daß sich eine hö­ here Prozeßeffizienz infolge geringerer Wärmeleitungsverluste ergibt, wenn der Lichtbogen 16 den Fußpunkt 16' im Bereich des Schmelzbades 18 hat. Allerdings ist hier die Gefahr grös­ ser, daß der Fußpunkt 16' unerwünschterweise in Richtung auf die Dampfkapillare 16 wandert, beispielsweise durch elektro­ magnetische und/oder thermische Effekte oberhalb der Werk­ stückoberfläche 22; denn beim praktischen Schweißbetrieb sind die in Fig. 1 ersichtlichen Abmessungen anders, z. B. wegen größerer Elektroden/Lichtbogenabmessungen u. dgl.

Es besteht also die Notwendigkeit, den Abstand Δx zwi­ schen den beiden Schweißenergiequellen bzw. zwischen der Po­ sition der Dampfkapillaren 13 und der Position des Fußpunktes 16' des Lichtbogens 16 meßtechnisch zu ermitteln. Für die meßtechnische Ermittlung ist gemäß Fig. 1 eine Meßeinrichtung 26 vorhanden, die zweckmäßigerweise an dem Fokussierspiegel 20 bzw. an dessen nicht dargestellter Halterung angebracht ist. Diese Meßeinrichtung 26 liefert als Meßergebnis bei­ spielsweise die Ist-x-Koordinaten x_1i und x_2i für die Position der Dampfkapillaren 13 bzw. für die Position des Fußpunktes 16' des Lichtbogens 16. Diese Ist-Koordinaten werden jeweils in einen Vergleicher 28 ₁ und 28 ₂ eingegeben, der sie mit den Soll-Koordinaten x_1S bzw. x_2S vergleicht. Der Vergleich er­ folgt durch Differenzbildung, wie durch die angegebenen Mi­ nuszeichen ersichtlich ist. Etwaige Differenzen werden der Prozeßregelung 19 zugeführt, welche Einfluß auf einen Stell­ mechanismus für die Schweißenergiequellen 11, 14 nimmt, bis die ermittelte Differenz null ist. Das wird in Fig. 1 durch die Stellgrößen x₁ und x₂ angedeutet. x₁ bestimmt die Position der Dampfkapillaren 13 in x-Richtung und x₂ bestimmt die Po­ sition des Auftreffpunktes des Lichtbogens 16 in x-Richtung. Dabei gilt x₁ = Δx + x₂. Die Regelung 19 greift ein, wenn das durch die Sollwerte x_1S und x_2S bestimmte Δx von einer vorbe­ stimmten Größe abweicht, weil sonst entweder die Gefahr be­ steht, daß sich die Prozeßbereiche der Hochenergiestrahlung 17 und des Lichtbogens 16 vermischen, oder daß die Dampfka­ pillare 13 und der Fußpunkt 16 zu weit auseinandergeraten und damit die Prozeßeffizienz insgesamt beeinträchtigt wird bzw. der Fußpunkt 16' nicht mehr auf der vorbestimmten Schweißnaht 12 verläuft.

Die Prozeßregelung 19 wurde lediglich für die x-Koordi­ naten beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß eine entspre­ chende Regelung für die y-Koordinate vorhanden sein kann bzw. auch im Hinblick auf die ϕ-Achse vorhanden sein muß. Infolge­ dessen kann erreicht werden, daß der Lichtbogen 16 stets auf die Schweißnaht 12 an der gewünschten Stelle einwirkt bzw. an der Stelle, die für die Nahtformung von Bedeutung ist. Auch die Strahlformung oder die Zusatzdrahtmenge können entspre­ chend angepaßt werden.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie ein Werkstück 10 aus zwei Werkstückteilen 10', 10" hergestellt wird. Die Werkstückteile 10', 10" sind im T-Stoß angeordnet, wobei 10" den Flansch und 10' den Steg bildet. Das Fügen dieses T-Stoßes erfolgt beispielsweise zunächst durch simultanes Laserstrahlschweis­ sen, d. h. von beiden Seiten des Werkstückteils 10' und der stegseitigen Seite des Werkstückteils 10'. Es wird mit Laser­ strahlung die von der einen Seite des Stegs auf die andere Seite durchgehende Lasernaht 12' hergestellt. Die vergleich­ weise große Einbrandtiefe gewährleistet, daß die beiden Werk­ stückteile 10', 10" über die gesamte Breite des Werkstück­ teils 10' voll miteinander verbunden sind. Hierbei kann, da ohne oder unter Einsatz einer nur geringen Menge an Zusatz­ werkstoff gearbeitet wurde, der Übergang zwischen Grundwerk­ stoff und Schweißnaht selbst bei fehlerfreier Nahtausführung eine hohe geometrische Kerbwirkung erzeugen. Infolgedessen wird anschließend an das Laserschweißen ein Lichtbogen­ schweißen durchgeführt, und zwar simultan auf beiden Seiten. Es wird ein nachlaufender Metall-Schutzgas-Prozeß durchge­ führt, bei dem Zusatzwerkstoff gleichzeitig in einem der ge­ genüberliegenden Bereichen des T-Stoßes aufgetragen wird. In­ folgedessen wird der dargestellte sanfte und kerbarme Über­ gang mit geringen Nahtanstiegswinkeln zwischen Steg und Flansch bzw. den Werkstückteilen 10', 10" erzeugt. Dabei er­ höht das Schweißen in einer Wärme die Einbrandtiefe des Lichtbogenschweißprozesses, der das Gefüge der Lasernaht 12 teilweise wieder aufschmilzt bzw. vergütet. Die strukturelle und geometrische Kerbwirkung wird jeweils verringert. Ande­ rerseits werden die Oberflächenbereiche 22' der Naht, nämlich der Lichtbogenschweißnaht 12' in den Werkstückteilen 10', 10" vergleichweise flach gehalten. Die Eindringtiefe des Lichtbo­ gens 16 ist nur gering. Seine Energie wird in erster Linie zum Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes benötigt. Infolgedes­ sen ist das a-Maß vergleichsweise groß, also der Abstand der Oberfläche der Lichtbogenschweißnaht 12" von dem Eckpunkt bzw. der Ecklinie der aneinanderstoßenden Oberflächen der Werkstückteile 10', 10". Die solchermaßen erzeugte Naht ver­ bindet die Vorteile des Laserstrahlschweissens, nämlich den einlagigen Vollanschluß bei nur geringer Wärmeeinbringung, mit denen einer lichtbogengeschweißten Naht, insbesondere dem sanften Übergang zwischen Steg und Flansch, der durch ein hohes a-Maß sichergestellt wird.

Die erfindungsgemäße Durchführung des Verfahrens sorgt für einen insgesamt vergleichsweise geringen Energieeintrag. Dabei ist zum einen das Schweißen in einer Wärme von Vorteil, weil Wärmeverluste im Bauteil vermieden werden. Zum anderen können die Vorteile ausgenutzt werden, die sich dadurch erge­ ben, daß auf eine gemeinsame Prozeßzone verzichtet wird. Der geringe Energieeintrag auch beim Lichtbogenschweißen vermin­ dert den thermischen Verzug des Werkstücks, so daß Zeit- und kostenintensive Richt- und Nacharbeiten entfallen, die grund­ sätzlich nicht mechanisierbar sind und im Stahl- und Schiffbau bis zu 25% des Gesamtstundenaufwandes ausmachen.

Ferner kann auch bei Einsatz beider Verfahren ein ferri­ tisch-perlitisches Gefüge im Schweißbereich des Werkstücks mit guten mechanisch-technologischen Eigenschaften einge­ stellt werden. Das Schweißen in einer Wärme erzeugt im Werk­ stück einen lokalen Wärmestau. Es ergeben sich Kosteneinspa­ rungen bei der Nahtvorbereitung, beim Schweißzusatzwerkstoff und bei der Nacharbeit. Gegebenenfalls können Nähte im I-Stoß vorbereitet werden, wobei mit dem Laser die Verbindung der Werkstückteile einlagig erzeugt werden kann und der Lichtbo­ gen nur im oberflächennahen Bereich eingesetzt wird. Die da­ bei erfolgende verfahrensgerechte Ausnutzung der verschiede­ nen Energiedichten hat außer dem Vorteil eines geringen Ener­ gieeintrags in das Werkstück auch den Vorteil, daß bedarfs­ weise nur ein geringer Verbrauch von Zusatzwerkstoff nötig ist.

Die erfindungsgemäße aufeinanderfolgende Anordnung der Prozeßbereiche ist Voraussetzung für die neue Art der Prozeß­ regelung. Die Wärmestrahlung der zuerst geschweißten Naht kann optisch oder mittels Pyrodetektor für den nachfolgenden Prozeß genutzt werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, den Lichtbogen je nach Anstellung der beiden Verfahren zum Vor­ wärmen bzw. zum Nachwärmen einzusetzen, so daß der Lichtbogen dem Hochenergiestrahl im Vergleich zu Fig. 1 beispielsweise nachläuft.

Die Erfindung erhöht die Betriebsfestigkeit der Schweiß­ verbindung. Das gilt insbesondere dann, wenn die Fügezone mit Querschnittsänderungen des Bauteils einhergeht, wenn die Fü­ gezone also beispielsweise als Kehlnaht ausgebildet ist, und wenn das Bauteil im Betrieb dynamischen Belastungen ausge­ setzt ist.

Als Hochenergiestrahlung kommt in erster Linie CO₂-La­ serstrahlung zum Einsatz, aber auch Nd:YAG-Strahlung mit Lichtleitfaser. Zur Erzeugung des Lichtbogens können die be­ kannten Lichtbogeneinrichtungen verwendet werden, wie Metall- Schutzgas-Schweißeinrichtungen, die beispielsweise im MIG- Prozeß arbeiten. Um die Werkstückteile zu handhaben bzw. um die Schweißenergiequellen zu handhaben, können alle bekannten Handhabungssysteme eingesetzt werden, wie CNC-gesteuerte Ti­ sche, Portale und Roboter.

Claims (9)

1. Verfahren zum Schweißen von relativbewegten Werkstücken (10), bei dem mindestens eine erste Schweißenergiequelle (11) verwendet wird, nämlich eine Hochenergiestrahlungs­ quelle, beispielsweise ein Laser, welche die Schweißnaht (12) unter Ausbildung einer positionierten Dampfkapilla­ ren (13) erzeugt, bei dem mindestens eine zweite Schweißenergiequelle (14) verwendet wird, nämlich eine Lichtbogeneinrichtung, deren Lichtbogen im Schweißbe­ reich (15) des Werkstücks (10) fußt, bei dem das Schweißen unter gleichzeitiger Einwirkung von Energie aus beiden Schweißenergiequellen (11, 14) erfolgt, bei dem der Lichtbogen (16) entweder in dem noch nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlten Wärmeeinwirkungsbereich der Hochenergiestrahlung (17) oder in dem noch nicht verschweißten Fugenbereich der Werkstücke (10) fußt, und bei dem die Position der Dampfkapillaren (13) und der Fußpunkt des Lichtbogens einen vorbestimmten Abstand (Δx) voneinander aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand (Δx) beim Schweißen meßtech­ nisch ermittelt wird und die beiden Schweißenergiequel­ len (11, 14) derart abstandsgesteuert werden, daß der Lichtbogen (16) außerhalb der Dampfkapillaren (13) fußt, wobei die durch die erste Schweißenergiequelle (11 oder 14) hergestellte Schweißnaht überwacht wird und eine nachfolgende Prozeßregelung einem Überwachungsergebnis entsprechend unterschiedlich durchgeführt wird.

2. Verfahren zum Schweißen von relativbewegten Werkstücken (10), bei dem mindestens eine erste Schweißenergiequelle (11) verwendet wird, nämlich eine Hochenergiestrahlungs­ quelle, beispielsweise ein Laser, welche die Schweißnaht (12) unter Ausbildung einer positionierten Dampfkapilla­ ren (13) erzeugt, bei dem mindestens eine zweite Schweißenergiequelle (14) verwendet wird, nämlich eine Lichtbogeneinrichtung, deren Lichtbogen im Schweißbe­ reich (15) des Werkstücks (10) fußt, bei dem das Schwei­ ßen unter gleichzeitiger Einwirkung von Energie aus bei­ den Schweißenergiequellen (11, 14) erfolgt, bei dem der Lichtbogen (16) entweder in dem noch nicht auf Umge­ bungstemperatur abgekühlten Wärmeeinwirkungsbereich der Hochenergiestrahlung (17) oder in dem noch nicht ver­ schweißten Fugenbereich der Werkstücke (10) fußt, und bei dem die Position der Dampfkapillaren (13) und der Fußpunkt des Lichtbogens einen vorbestimmten Abstand (Δx) voneinander aufweisen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schweißener­ giequellen (11, 14) derart abstandsgesteuert werden, daß der Lichtbogen (16) außerhalb der Dampfkapillaren (13) fußt, wobei die Position (x_1i) der Dampfkapillaren (13) und die Position (x_2i) des Fußpunktes (16') des Lichtbo­ gens (16) an der Oberfläche des Werkstücks meßtechnisch ermittelt werden, und wobei das Meßergebnis von einer Prozeßregelung (19) dazu benutzt wird, den vorbestimmten Abstand (Δx) konstant zu halten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Lichtbogen (16) abstandsgesteuert im Schmelzbad (18) fußt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hochenergiestrahlungsquelle eine Teil- oder Vollverbindung zweier Werkstückteile (10', 10") besorgt, und daß ein Verschweißen nur eines Ober­ flächenbereichs (22) der Naht (12) mittels Lichtbogens (16) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Verschweißen mittels Lichtbogens (16) Zusatzwerkstoff verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hochenergiestrahlung von der einen Werkstückseite das Werkstück durchschweißt, und daß der Lichtbogen auf der anderen Werkstückseite einwirkt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auch auf der anderen Werkstückseite mittels Hochenergiestrahlung (17) und/oder mittels Lichtbogens (16) geschweißt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei zweite, als Lichtbogeneinrichtun­ gen ausgebildete Schweißenergiequellen (14) verwendet werden, von denen mit der einen Zusatzwerkstoff in die noch nicht verschweißte Fuge eingebracht wird und von denen der Lichtbogen (16) der anderen in dem noch nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlten Wärmeeinwirkungsbe­ reich der Hochenergiestrahlung (17) fußt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die eine, im noch nicht verschweißten Bereich der Fuge wirkende zweite Schweißenergiequelle (14) mit einem Bearbeitungskopf der Hochenergiestrah­ lungsquelle oder mit der anderen zweiten Schweißenergie­ quelle starr gekoppelt wird, wobei die Abstandssteuerung zwischen einer der zweiten Schweißenergiequellen (14) und der die Dampfkapillare (13) ausbildenden ersten Schweißenergiequelle (11) wirkt.