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WO1984003059A1 - Procede et installation pour souder des materiaux plastiquement deformables - Google Patents

Procede et installation pour souder des materiaux plastiquement deformables Download PDF

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WO1984003059A1
WO1984003059A1 PCT/EP1984/000030 EP8400030W WO8403059A1 WO 1984003059 A1 WO1984003059 A1 WO 1984003059A1 EP 8400030 W EP8400030 W EP 8400030W WO 8403059 A1 WO8403059 A1 WO 8403059A1
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WO
WIPO (PCT)
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welding
seam
butt
joint
weld
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP1984/000030
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ruediger Rothe
Gerd Sepold
Karl Teske
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fried Krupp AG
Original Assignee
Fried Krupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fried Krupp AG filed Critical Fried Krupp AG
Publication of WO1984003059A1 publication Critical patent/WO1984003059A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B29C66/83411—Roller, cylinder or drum types
    • B29C66/83413—Roller, cylinder or drum types cooperating rollers, cylinders or drums

Definitions

  • the invention relates to a method for welding plastically deformable materials according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device according to the preamble of claim 12.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for welding all plastically deformable materials at high speeds and while avoiding the aforementioned imperfections.
  • the method according to the invention has the characterizing features of claim 1.
  • the melt is squeezed by the deformation in such a way that it fills the entire gap and, moreover, the melt is also pressed out of the gap.
  • the sweatband is not squeezed or deformed exclusively in the liquid phase, but also during the transition to the solid phase when the material has already reached a pasty state.
  • OMPI IPO This effectively counteracts the formation of voids in the weld seam. Likewise, pore formation in the weld seam is prevented by the deformation or crushing.
  • the deformation is not limited to the melt, but also the edge areas of the sheet metal or sheets adjacent to the abutting surfaces are deformed. These areas are deformed plastically, that is to say permanently, the deformation preferably taking place in a direction running transversely to the plane of the gap between the abutting surfaces.
  • the direction of deformation can also run obliquely to the plane of the gap with different degrees of deformation over the thickness of the metal sheets. Since a mostly permanent deformation is carried out in and around the weld seam, the shrinkage stresses occurring when the melt cools rapidly and the areas of the abutting surfaces adjoining it are largely compensated for or reduced.
  • the sheets can be deformed by 10% of their thickness. The deformation thus exceeds the extent of the shrinkage of the sheets as a result of the latter cooling from welding to nominal temperature.
  • the metal sheets or the metal sheet are continuously moved past the focused laser beam with the weld joint. This creates a continuous, continuous weld.
  • welding speeds of more than 80 m / min can be achieved with the welding method according to the invention.
  • the high performance of this welding process allows one economical use of the same for seam welding of pipes and containers or cans for the absorption of liquids or gaseous fillings.
  • the butt surfaces can be provided with additives.
  • a powder of the same material can be applied to the joint surfaces to be welded in a lacquer-like manner. This serves to increase the absorption of the laser on the abutting surfaces, the grain size for the powdery additive preferably being above 10 ⁇ m (micrometers).
  • other additives for the targeted alloying of the melt of the sheets to be welded can be used, for example Ni powder or Ni foil for welding iron materials. Alloying the melt with such an additive prevents embrittlement of the material when heated to the melting point and then cooled. Other additives are conceivable to improve the welding properties of the sheet or sheet.
  • the welding method of the invention can be carried out in a wide variety of gases. This enables inert gas welding to be carried out in order to avoid scaling of the metal sheets at the heated edge areas of the abutting surfaces and to prevent diffusion of pollutants from the atmospheric air into the melt.
  • the device according to the invention has the characterizing features of claim 12.
  • the pressure elements exert a pressure on the areas of the metal sheets or the metal sheet which adjoin the abutting surfaces, the arrangement of the pressure elements on the metal sheets depending on the type of weld.
  • the pressure members are arranged on opposite surfaces of the metal sheets or of the metal sheet at a distance from one another which is smaller than the thickness of the weld joint or the weld seam.
  • the sheet metal continuously deforms in the area of the weld joint and the weld seam.
  • the degree of deformation and the degree of permanent deformation depend on the relationship between the distance between the pressure elements and the thickness of the weld joint. In order to be able to change this in order to achieve an optimal weld seam or to adapt to different types of seams and sheet thicknesses, at least one pressure element can be adjusted in such a way that the center distances between the opposite pressure elements change.
  • a compression of the weld seam is thus to be carried out step by step in order to limit the degree of deformation in the sheets and the weld seam and to reduce the load on the pressure elements.
  • the pressure elements can also smooth the surface the same are carried out, for example by pressure members covering the butt seam.
  • the weld seam can be smoothed either directly behind the weld zone by hot working or after cooling the weld seam to nominal temperature by cold working.
  • At least one pressure element is simultaneously designed as the drive element.
  • One of the compression rollers designed as a pressure element acts as a drive roller.
  • the drive roller thus combines the function of a pressure and transport element.
  • two or more squeezing rollers located opposite one another in a group can be driven, that is, they can be designed as driving rollers.
  • the metal sheets can be moved past the focused laser beam or an electron beam in the area of the weld joint with frictional entrainment in the longitudinal direction of the weld seam.
  • the device according to the invention has adjustable welding optics. This is used to focus an incoming laser beam and to redirect it into the weld joint. With the laser beam so focussed and aligned by the welding optics, the weld joint can be heated specifically and effectively by the laser beam.
  • the focused laser beam preferably enters the plane of the weld seam in the gap of the weld joint formed between the abutting surfaces. Depending on the type of weld to be made, this can the laser beam is directed perpendicularly or parallel to the sheet metal surface or has a different inclination to the same.
  • FIG. 1 shows a schematic front view of a device for welding an overlap joint
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the device of FIG. 1,
  • FIG 3 shows a schematic front view of a second exemplary embodiment of a device for welding a butt joint.
  • the exemplary embodiments branch two devices for producing continuous weld seams, namely either an overlap seam 10 or a butt seam 11.
  • FIGS. 1 and 2 The device for forming an overlap seam 10 is shown in FIGS. 1 and 2.
  • Two flat sheets 12 and 13 which are flat in the transverse direction to the overlap seam 10 are to be welded to it.
  • the sheets 12 and 13 can be moved between a compression roller 16 and a drive roller 17, which also exerts a compression force on the sheets 12, 13.
  • the upsetting roller 16 and the drive roller 17 with horizontal, axially parallel axes of rotation lie opposite each other in an upright plane.
  • the below the compression roller 16 lying in the drive roller 17 has no drive in this exemplary embodiment, and is therefore freely rotatable.
  • the compression roller 16 and the drive roller 17 are mounted at a distance from one another on a common base plate 24.
  • the distance between the jacket 18 of the compression roller 16 and a jacket 19 of the drive roller 17 is chosen such that it is smaller than the thickness of the sheets 12 and 13 lying one above the other in the region of their abutting surfaces 28 and 29, respectively 18, 19 of the compression roller 16 and the drive roller 17 deform the sheets 12, 13 in the area of the overlap seam 10 and the overlap seam 10 itself.
  • a welding point 20 which is schematically marked in FIG. 2 by a dot.
  • the welding point 20 lies approximately in the center of the welding joint and coincides with the focal point of the focused laser beam 21.
  • a welding optics 22 arranged at a distance from the welding point 20 serves to form the focused laser beam 21.
  • the welding optics 22 are designed and adjusted in such a way that a laser beam 30 entering the latter vertically, ie deflected by 90, emerges from the welding optics 22 as a focused laser beam 21.
  • the drive roller 17 has a cylindrical casing 19. This is partially on the (upper) sheet 12.
  • the drive roller 17 is supported at one end by a storage space 25 rigidly connected to a base plate 24.
  • the freely rotatable, up to the (lower) plate 13 compression roller 16 has a curved jacket 18, i.e. it is barrel-shaped.
  • the upsetting roller 16 is mounted on its opposite end faces by a U-shaped support arm 27. This is arranged on the base plate 24 so as to be height-adjustable.
  • the distance between the axes of rotation of the drive roller 17 on the one hand and the compression roller 16 on the other hand can be changed to increase or decrease the distance between the shells 18 and 19 of the same.
  • the height of the sheets 12 and 13 is reduced in the region of the abutting surfaces 28 and 29 by permanent deformation, so that the height of the finished overlap seam 10 is less than the sum of the original thicknesses of the sheets 12, 13.
  • the schematically shown in Fig. 1 - fully blackened - cross Section of a welding zone 31 extends over the entire width of the abutting surfaces 28 and 29, however.
  • the welding zone 31 can also be wider if the melt has flowed beyond the regions of the abutting surfaces 28, 29 as a result of the deformation.
  • the device of this exemplary embodiment is also suitable for welding curved sheets, in particular for welding the seam of a tube or a can jacket formed from a sheet.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the device for welding two sheets 1 and 15 to form a butt seam 11.
  • a cylindrical drive roller 32 is arranged under the sheets 14 and 5.
  • the drive roller 32 is opposite
  • Two upsetting rollers 33 and 34 are arranged above the sheets 14, 15.
  • Each of the two upsetting rollers 33, 34 is assigned to a sheet 14 and 15, namely the upsetting roller 34 to the sheet 14 and the upsetting roller 33 to the sheet 15.
  • the axes of rotation of the two upsetting rollers 33 , 34 and the drive roller 32 extend transversely to the longitudinal direction of the butt seam 11, namely in a common vertical plane ..
  • the two upsetting rollers 33 and 34 are arranged symmetrically
  • Axes of rotation of the upsetting rollers 33 and 34 have the same, oppositely inclined axis of rotation, which, starting from the upright central plane of the device, is inclined toward the sheets 14 and 15, respectively.
  • the mutually facing end faces of the compression rollers 33, 34 thus converge in the direction of the butt seam 11.
  • the upsetting rollers 33 and 34 are mounted on their end faces directed away from the butt seam 11 on a respective bearing arm 35 and 36, respectively.
  • both upsetting rollers 33, 34 have a circumferential bead 39 or 40, each with half, on their end faces directed towards one another ⁇ circular cross-section.
  • the upsetting rollers 33 and 34 rest only with these beads 39, 40 on the upper side of the sheets 14, 15 on the edge of the abutting surfaces 37 and 38, respectively.
  • transverse pressure force on the sheets 14, 15 and the relatively small contact surface of the beads 39 and 40 on the upper side thereof cause deformation in the longitudinal and transverse directions of the abutting surfaces 37 and 38.
  • material accumulations which result in a bead-like shape of the weld seam.
  • a circumferential annular groove 41 is made in the cylindrical jacket of the drive roller 32, which divides the drive roller 32 into two jacket halves 42 and 43, respectively.
  • This annular groove 41 serves to remove the flue gas generated when the melt is formed in the welding pulse.
  • An exemplary embodiment of the drive roller is also conceivable in which the annular groove 41 is missing, so that the casing of the drive roller 11 also abuts on the underside of the stump, so it smoothes it.
  • the welding optics 22 are arranged lying above the upsetting rollers 33, 34 in the upright longitudinal center plane of the butt seam 11.
  • a laser beam 30 enters the welding optics 22 vertically and emerges in the opposite direction on the underside thereof as a focused laser beam 44.
  • This extends accordingly upright to the plane of the sheets 14 and 15, that is to say is directed parallel to the plane of the opposing abutment surfaces 37 and 38 and enters the weld joint approximately centrally between them.
  • the focal point, not shown in FIG. 3, of the focused laser beam 44 also lies approximately centrally in the weld joint of the butt seam 11.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen plastisch verformbarer Werkstoffe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen plastisch verformbarer Werkstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Zum Schweißen fortlaufender Nähte bei hohen Geschwin¬ digkeiten ist eine gezielte und rasche Erwärmung der Stoßflächen des Schweißstoßes notwendig. Diese Voraus- Setzungen erfüllen Energiequellen hoher Leistungsdichte, nämlich fokussierte Laserstrahlen oder Elektronenstrah¬ len, in idealer Weise. Mit einem Laserstrahl, insbeson¬ dere einem fokussierten C0--Laser ist eine Leistungs- dichte mehr als 10 5W/cm2 erreichbar. Mit Laserstrahlen sind sämtliche plastischverformbaren Werkstoffe erwärm¬ bar.
Bei dem bekannten Laser-Schmelzschweißen, welches vor¬ zugsweise ohne Schweißzusätze durchgeführt wird, sind qualitativ einwandfreie Nähte mit Schweißgeschwindig- keiten bis zu 15 m/min erreichbar. Höhere Schweißge¬ schwindigkeiten führen zu Ungänzen, wie beispielsweise Rissen, Lunker und Poren. Diese Ungänzen entstehen durch die ungünstigen Erstarrungsbedingungen der durch konzentrierte Laserenergie gebildeten Schmelze bei ho- hen Geschwindigkeiten. Dabei bilden sich Randkerben und perlschnurähnliche Schweißraupen an der Oberfläche der Schweißnaht. Diese entstehen u.a. durch Turbulenzen im Schweißbad, welches schnell erstarrt. Derartige Schweißnähte sind aufgrund ihrer schlechten Oberfläche für die Praxis ungeeignet. Ungänzen entstehen auch durch ein steiles Temperaturgefälle in den an die Stoßflächen angrenzenden Bereichen des Blechs bzw. der Bleche. Die- ses Temperaturgefälle kommt durch die rasche Erwärmung des Werkstoffs über den Schmelzbereich sowie durch rasche, ungleichmäßige Erstarrung des Schweißbades zu¬ stande. Schließlich entstehen durch' rasches Abkühlen im Bereich der Schweißnaht Schruπηungen, die zu erheb¬ lichen SchrumpfSpannungen innerhalb derselben führen. Durch diese Fehler treten festigkeitsmäßige Beeinträch¬ tigungen der Schweißnaht ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen sämtlicher plastisch verformbarer Werkstoffe bei hohen Geschwindigkeiten und unter Vermeidung der genannten Ungänzen zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Verfahren die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 auf.
Durch das Zusammendrücken der Schweißflächen unter Her¬ ausdrücken der an den erwärmten Schweißflächen gebilde¬ ten Schmelze wird eine fehlerfreie Vereinigung der Schwei߬ flächen des Schweißstoßes zur Schweißnaht erreicht.'
Im zwischen den Schweißflächen des Schweißstoßes gebil¬ deten Spalt wird die Schmelze durch die Verformung ge¬ quetscht, derart, daß sie den ganzen Spalt ausfüllt und darüber hinaus auch Schmelze aus dem Spalt herausge¬ drückt wird. Es tritt damit also ein Fluß der Schmelze in Spaltebene auf, und zwar überwiegend in entgegenge¬ setzten Richtungen, zu den Rändern der Schweißnaht. Das Quetschen bzw. Verformen des Schweißbands findet nicht ausschließlich in der flüssigen Phase, sondern auch während des Obergangs zur festen Phase statt, wenn der Werkstoff bereits einen teigigen Zustand erreicht hat.
OMPI IPO Hierdurch wird einer Lunkerbildung der Schweißnaht wir¬ kungsvoll entgegengewirkt. Ebenso wird eine Porenbil¬ dung in der Schweißnaht durch die Verformung bzw. Quetschung unterbunden.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung beschränkt sich die Verformung nicht nur auf die Schmelze, sondern es werden auch die an die Stoßflächen angrenzenden Rand¬ bereiche des Blechs bzw. der Bleche verformt. Diese Be¬ reiche werden plastisch, also bleibend verformt, wobei die Verformung vorzugsweise in einer quer zur Ebene des Spalts zwischen den Stoßflächen verlaufenden Richtung erfolgt. Je nach Schweißnaht kann die Verformungsrich¬ tung auch schräg zur Ebene des Spalts verlaufen mit un¬ ter schiedlichen Verformungsgraden über die Dicke der Bleche. Da im Bereich in und um die Schweißnaht eine meist bleibende Verformung vorgenommen wird, werden die bei rascher Abkühlung der Schmelze und der daran angren¬ zenden Bereiche der Stoßflächen auftretenden Schrumpf¬ spannungen weitestgehend kompensiert bzw. abgebaut. Der Gefahr einer Ricßbildung in der Schweißnaht wird auf diese Weise entgegengewirkt. Je nach Art der herzustel¬ lenden Schweißnaht ist eine Verformung der Bleche um 10 % ihrer Dicke möglich. Die Verformung überschreitet damit den Umfang der Schrumpfung der Bleche infolge der Abkühlung derselben von Schweiß- auf Nenntemperatur.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Bleche bzw. das Blech mit dem Schweißstoß fortlaufend am fokussierten Laserstrahl vorbeibewegt. Dadurch entsteht eine fort- laufende, durchgehende Schweißnaht. Dadurch sind mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren Schweißgeschwindig¬ keiten von mehr als 80 m/min realisierbar. Die hohe Lei¬ stungsfähigkeit dieses Schweißverfahrens erlaubt einen wirtschaftlichen Einsatz desselben zum Nahtschweißen von Rohren und Behältern bzw. Dosen zur Aufnahme von Flüssigkeiten bzw. gasförmigen Füllungen.
Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des erfindungs- gemäßen Schweißverfahrens sowie zur Verbesserung der damit erzielten Schweißnaht können die Stoßflächen mit Zusatzstoffen versehen werden. So kann z.B. ein Pulver aus dem gleichen Werkstoff lackartig auf die zu ver¬ schweißenden Stoßflächen aufgetragen werden. Dieses dient zur Erhöhung der Absorption des Lasers an den Stoßflächen, wobei die Körnung für den pulverigen Zu¬ satzstoff vorzugsweise über 10 ,um (Mikrometer) liegt. Alternativ können andere Zusatzstoffe zur gezielten Legierung der Schmelze der zu verschweißenden Bleche verwendet werden, beispielsweise Ni-Pulver bzw. Ni— Folie zum Schweißen von Eisenwerkstoffen. Eine Legie¬ rung der Schmelze mit einem solchen Zusatzstoff verhin¬ dert eine Versprödung des Werkstoffes beim Erhitzen bis zum Schmelzpunkt und anschließenden Abkühlen. Weitere Zusatzstoffe sind denkbar zur Verbesserung der Schwei߬ eigenschaften der Bleche bzw. des Blechs.
Das Schweißverfahren der Erfindung ist in verschieden¬ sten Gasen durchführbar. Dadurch sind Schutzgasschwei- ßungen möglich, um ein Verzundern der Bleche an- den mit- erwärmten Randbereichen der Stoßflächen zu vermeiden und Schadstoffdiffusionen aus der atmosphärischen Luft in die Schmelze zu verhindern.
Weitere Merkmale des Verfahrens betreffen die Herstel¬ lung einer überlapp- und Stumpfnaht. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung anderer üblicher Schweißnahtarten geeignet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die kennzeich¬ nenden Merkmale des Anspruchs 12 auf. Die Druckorgane wirken einen Druck auf die seitlich an den Stoßflächen angrenzenden Bereicheder Bleche bzw. des Blechs aus, wobei die Anordnung der Druckorgane an den Blechen in Abhängigkeit von der Schweißnahtart getroffen ist.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind die Druckorgane an gegenüberliegenden Flächen der Bleche bzw. des Blechs mit einem Abstand voneinander angeordnet, der kleiner als die Dicke des Schweißstoßes bzw. der Schweißnaht ist. Bei zwischen den Druckorganen hin¬ durchbewegter Schweißnaht tritt dadurch eine fortlau¬ fende Verformung der Bleche im Bereich des Schwei߬ stoßes und der Schweißnaht ein. Der Verformungsgrad und das Maß der bleibenden Verformung richten sich nach dem Verhältnis zwischen dem Abstand der Druckorgane un¬ tereinander und der Schweißstoßdicke. Um dieses zur Er¬ zielung einer optimalen Schweißnaht bzw. zur Anpassung an unterschiedliche Nahtarten und Blechdicken verändern zu können, ist mindestens ein Druckorgan derart verstell¬ bar, daß sich die Achsabstände zwischen den gegenüberlie¬ genden Druckorganen verändern.
Je nach Umfang der Verformung der Schweißnaht und der Bleche im Bereich derselben können mehrere Gruppen gegen- überliegender Rollenpaare in Längsrichtung der Schwei߬ naht hintereinander angeordnet sein. Eine Stauchung der Schweißnaht ist damit stufenweise vorzunehmen zur Be¬ grenzung des Umformgrades in den Blechen und der Schweiß- nat und zur Verringerung der Belastung der Druckorgane.
■ Neben einer Verformung bzw. Stauchung der Schweißnaht kann durch die Druckorgane gleichzeitig eine Glättung derselben vorgenommen werden, beispielsweise durch die Stumpfnaht überdeckende Druckorgane. Eine Glättung der Schweißnaht kann entweder direkt hinter der Schweißzone durch Warmverformung oder nach Abkühlen der Schweißnaht auf Nenntemperatur durch Kaltverformung erfolgen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in einer Gruppe gegenüberliegender Druck¬ organe wenigstens ein Druckorgan gleichzeitig als An¬ triebsorgan ausgebildet. Eine der als Druckorgan aus- gebildeten Stauchrollen wirkt dazu als Antriebsrolle. Die Antriebsrolle vereinigt somit die Funktion eines Druck- und Transportorgans. Je nach der notwendigen An¬ triebskraft können zwei oder mehrere in einer Gruppe gegenüberliegender Stauchrollen angetrieben sein, also als Antriebsrollen ausgebildet sein. Zwischen den gegen¬ überliegenden Stauch- bzw. Antriebsrollen sind die Bleche im Bereich des Schweißstoßes unter reibschlüssi¬ ger Mitnahme in Längsrichtung der Schweißnaht am fokussier- ten Laserstrahl bzw. an einem Elektronensträhl vorbeibe- wegbar.
Weiterhin verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine justierbare Schweißoptik. Diese dient dazu, einen eintretenden Laserstrahl zu fokussieren und gezielt in den Schweißstoß umzulenken. Mit dem durch die Schweiß- optik so fukossierten und ausgerichteten Laserstrahl ist der Schweißstoß gezielt und wirkungsvoll durch den Laser¬ strahl zu erwärmen.
Der fokussierte Laserstrahl tritt vorzugsweise in die Ebene der Schweißnaht gerichtet in den zwischen den Stoßflächen gebildeten Spalt des Schweißstoßes ein. Je nach Art der herzustellenden Schweißnaht kann dadurch der Laserstrahl senkrecht oder parallel zur Blechober¬ fläche gerichtet sein bzw. eine unterschiedliche Neigung zu derselben aufweisen.
Weitere Merkmale der Erfindung betreffen die Ausbildung der Vorrichtung zum Herstellen einer Überlapp- bzw. Stumpfnaht.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfol¬ gend anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer Vor¬ richtung zum Schweißen eines Überlappstoßes,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Vor¬ richtung der Fig. 1 , und
Fig. 3 eine schematische Vorderansicht eines zwei- ten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Schweißen eines StumpfStoßes.
Die Ausführungsbeispiele zweigen zwei Vorrichtungen zur Herstellung durchlaufender Schweißnähte, nämlich ent¬ weder einer überlappnaht 10 oder einer Stumpfnaht 11.
Die Vorrichtung zur Bildung einer überlappnaht 10 ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Mit ihr sind zwei in Querrich¬ tung zur Überlappnaht 10 ebene Bleche 12 und 13 zu ver¬ schweißen. Die Bleche 12 und 13 sind zwischen einer Stauchrolle 16 und einer Antriebsrolle 17, die auch eine Stauchkraft auf die Bleche 12, 13 ausübt, hindurchbeweg¬ bar. Dazu leigen sich die Stauchrolle 16 und die Antriebs¬ rolle 17 mit horizontal verlaufenden, achsparallelen Drehachsen in einer aufrechten Ebene gegenüber. Die unter der Antriebsrolle 17 liegende Stauchrolle 16 verfügt in diesem Ausführungsbeispiel über keinen Antrieb, ist also frei drehbar.
Die Stauchrolle 16 und die Antriebsrolle 17 sind mit Abstand voneinander an einer gemeinsamen Grundplatte 24 gelagert. Der Abstand zwischen dem Mantel 18 der Stauchrolle 16 und einem Mantel 19 der Antriebsrolle 17 ist dabei derart gewählt, daß dieser kleiner ist als die Dicke der im Bereich ihrer Stoßflächen 28 bzw. 29 übereinanderliegenden Bleche 12 und 13. Auf diese Weise tritt zwischen den Mänteln 18, 19 der Stauchrolle 16 und der Antriebsrolle 17 eine Verformung der Bleche 12, 13 im Bereich der überlappnaht 10 sowie der überlapp¬ naht 10 selbst ein.
Aus der Fig. 2 ist die Bildung des Überlappstoßes aus den Blechen 12 und 13 ersichtlich; und zwar werden diese aus zwei unterschiedlichen Ebenen konvergierend zwischen die sich gegensinnig drehende Antriebsrolle 17 und Stauchrolle 16 geführt. Vor diesen beiden Rollen 17, 16 laufen die Bleche 12 und 13 somit V-förmig zusammen. Da¬ bei treffen sich die Stoßflächen 28 und 29 der Bleche 12, 13 kurz vor derjenigen Stelle, an der die Mäntel 18, 19 der Stauchrolle 16 bzw. der Antriebsrolle 17 den gering¬ sten Abstand voneinander aufweisen.
An der Stelle, an der die Bleche 12, 13 zusammentreffen, liegt ein Schweißpunkt 20, der in der Fig. 2 schematisch durch einen φunkt markiert ist. Der Schweißpunkt 20 liegt annähernd mittig im Schweißstoß und deckt sich mit dem Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls 21.
Eine mit Abstand vor dem Schweißpunkt 20 angeordnete Schweißoptik 22 dient zur Bildung des fokussierten Laserstrahls 21. In diesem Ausführungsbeispiel fällt eine horizontale Mittellinie der Schweißoptik 22 mit der hier ebenfalls horizontal liegenden Ebene der überlapp¬ naht 10 zusammen. Die Schweißoptik 22 ist derart ausge¬ bildet und justiert, daß ein in letztere senkrecht ein- tretender Laserstrahl 30 horizontal, d.h. um 90 umge¬ lenkt, als fokussierter Laserstrahl 21 aus der Schwei߬ optik 22 heraustritt. Die Brennweite des im Schweißpunkt
20 liegenden Brennpunktes des fokussierten Laserstrahls
21 entspricht annähernd dem horizontalen Abstand der Schweißoptik 22 zum Schweißpunkt 20.
Die Antriebsrolle 17 weist im vorliegenden Ausführungs¬ beispiel einen zylindrischen Mantel 19 auf. Dieser liegt teilweise am (oberen) Blech 12 an. Gelagert ist die Antriebsrolle 17 an einer Stirnseite durch einen starr mit einer Grundplatte 24 verbundenen Lagerraum 25.
Die frei drehbare, am (unteren) Blech 13 anliegende Stauchrolle 16 weist einen gewölbten Mantel 18 auf, d.h. sie ist tonnenförmig ausgebildet. Gelagert ist die Stauchrolle 16 an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten durch einen U-förmig ausgebildeten Tragarm 27. Dieser ist höhenverstellbar an der Grundplatte 24 angeordnet. Damit ist der Abstand zwischen den Drehachsen der An¬ triebsrolle 17 einerseits und der Stauchrolle 16 ande¬ rerseits veränderbar zur Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Abstands zwischen den Mänteln 18 bzw. 19 derselbe.
Mit dieser Vorrichtung wird im Bereich der Stoßflächen 28 bzw. 29 die Höhe der Bleche 12 und 13 durch bleiben¬ de Verformung verringert, so daß die Höhe der fertigen überlappnaht 10 geringer als die Summe der ursprüngli- chen Dicken der Bleche 12, 13 ist. Der in der Fig. 1 schematisch dargestellte - voll geschwärzte - Quer- schnitt einer Schweißzone 31 verläuft über die gesamte Breite der Stoßflächen 28 bzw. 29. Die Schweißzone 31 kann jedoch auch breiter sein, wenn Schmelze infolge der Verformung über die Bereiche der Stoßflächen 28, 29 hinausgeflossen ist.
Durch den balligen Mantel 18 der Stauchrolle 16 ist die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels auch zum Ver¬ schweißen gewölbter Bleche, insbesondere zum Verschwei¬ ßen der Naht eines aus einem Blech gebildeten Rohres bzw. eines Dosenmantels geeignet.
Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Verschweißen zweier Bleche 1 und 15 zu einer Stumpfnaht 11. Bei dieser Vorrichtung ist un¬ ter den Blechen 14 und 5 eine zylindrische Antriebs- "rolle 32 angeordnet. Der Antriebsrolle 32 gegenüberlie¬ gend sind über den Blechen 14, 15 zwei Stauchrollen 33 und 34 angeordnet. Jede der beiden Stauchrollen 33, 34 ist einem Blech 14 bzw. 15 zugeordnet, nämlich die Stauchrolle 34 dem Blech 14 und die Stauchrolle 33 dem Blech 15. Die Drehachsen der beiden Stauchrollen 33, 34 sowie der Antriebsrolle 32 verlaufen quer zur Längsrich¬ tung der Stumpfnaht 11 , und zwar in einer gemeinsamen senkrechten Ebene liegend. Bezüglich einer senkrechten Ebene längs zur Stumpfnaht 11 sind die beiden Stauch— rollen 33 und 34 symmetrisch angeordnet. Die beiden
Drehachsen der Stauchrollen 33 und 34 weisen dabei eine gleiche, entgegengesetzt geneigte Drehachse auf, die ausgehend von der aufrechten Mittelebene der Vorrichtung zu den Blechen 14 bzw. 15 hin geneigt verläuft. Die ein- ander zugerichteten Stirnseiten der Stauchrollen 33, 34 laufen somit also in Richtung zur Stumpfnaht 11 zusammen.
OMPI Die Stauchrollen 33 und 34 sind an ihren von der Stumpfnaht 11 weggerichteten Stirnseiten an jeweils einem Lagerarm 35 bzw. 36 gelagert.
Zwischen den beiden Stauchrollen 33 und 34 und der An- triebsrolle 32 sind die beiden ebenen Bleche 14, 15 in einer Ebene zu einem Stumpfstoß zusammengeführt mit aufrecht zur Ebene der Bleche 14 und 15 verlaufenden Stoßflächen 37 und 38. Eine Pressung quer zu den auf¬ rechten Stoßflächen 37 bzw. 38 erfolgt bei dieser Vor- richtung durch die geneigte Anordnung der Stauchrol¬ len 33 bzw. 34. Darüber hinaus weisen beide Stauchrol¬ len 33, 34 an ihren zueinander gerichteten Stirnseiten einen umlaufenden Wulst 39 bzw. 40 mit jeweils halb¬ kreisförmigem Querschnitt auf. Die Stauchrollen 33 und 34 liegen nur mit diesen Wülsten 39, 40 an der Ober¬ seite der Bleche 14, 15 am Rande der Stoßflächen 37 bzw. 38 an. Die quergerichtete Druckkraft auf die Bleche 14, 15 und die relativ geringe Auflagefläche der Wülste 39 bzw. 40 an der Oberseite derselben bewir- ken eine Verformung in Längs- und Querrichtung der Sto߬ flächen 37 bzw. 38. Auf diese Weise bilden sich insbe¬ sondere an der Oberseite der Bleche 14, 15 neben der Schweißnaht Materialanhäufungen, die eine wulstähnli¬ che Form der Schweißnaht ergeben.
Unmittelbar unterhalb der überlappnaht 10 ist im zylin¬ drischen Mantel der Antriebsrolle 32 eine umlaufende Ringnut 41 eingebracht, die die Antriebsrolle 32 in zwei Mantelhälften 42 bzw. 43 teilt. Diese Ringnut 41 dient zur Abfuhr des beim Bilden der Schmelze im Schweiß- stoß entstandenen Rauchgases. Es ist auch ein Ausfüh¬ rungsbeispiel der Antriebsrolle denkbar, bei der die Ringnut 41 fehlt, so daß der Mantel der Antriebsrolle auch an der Unterseite der Stumpf aht 11 anliegt, diese also glättet.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die Schweißoptik 22 oberhalb der Stauchrollen 33, 34 in aufrechter Längsmittelebene der Stumpfnaht 11 liegend angeordnet. Auch hier tritt ein Laserstrahl 30 senkrecht in die Schweißoptik 22 ein und tritt in entgegengesetzter Richtung an der Unterseite derselben als fokussierter Laserstrahl 44 aus. Dieser verläuft demnach aufrecht zur Ebene der Bleche 14 und 15, ist also parallel zur Ebene der gegenüberliegenden Stoßflächen 37 bzw. 38 gerichtet und tritt annähernd mittig zwischen denselben in den Schweißstoß ein. Auch der in der Fig. 3 nicht dargestellte Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls 44 liegt annähernd mittig im Schweißstoß der Stumpfnaht 11.
OMPI IPO

Claims

A n s p ü c h e
1. Verfahren zum Schweißen plastisch verformbarer Werkstoffe, wobei zwei zu verschweißende Sto߬ flächen wenigstens eines Werkstücks (Blechs) zu einem Schweißstoß zusammengefaßt und durch eine Energiequelle hoher Leistungsdichte, insbesondere wenigstens einen fokussierten Laserstrahl, min¬ destens auf Schmelztemperatur erwärmt werden zur Bildung einer Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die (erhitzten) Stoßflächen (28, 29, 38) zu- sammengedrückt und die Schmelze verformt wird zur Vereinigung der Stoßflächen (28, 29, 37, 38) zu einer Schweißnaht (überlappnaht 10, Stumpf- naht 11).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeich- net, daß ein zwischen den Stoßflächen (28, 29,
37, 38) im Schweißstoß gebildeter Spalt durch die Schmelze vollständig ausgefüllt und die Schmelze aus dem Spalt herausgedrückt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die an die Schmelze angrenzenden
Bereiche der Schweißnaht (überlappnaht 10, Stumpf- naht 11) mit bleibender Verformung gestaucht werden, vorzugsweise in einer Richtung quer zur Ebene des Spaltes des Schweißstoßes.
4. Verfahren nach Anspruch 3 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Stoßflächen (28, 29, 37, 38) um annähernd 10 % der Dicke des Blechs bzw. der
O PI - T 4 - -
Bleche (12, 13, 14, 15) quer zur Ebene des Schwei߬ stoßes gestaucht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Schmelze bzw. die Schweißnaht (überlappnaht 10, Stumpfnaht 11) derart durch Stauchung plastisch verformt wird, daß die beim Erkalten der Schweißnaht auftretenden Schrumpf-- Spannungen annähernd beseitigt werden und/oder die Schweißnaht geglättet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech bzw. die Bleche (12..15) mit dem Schweißstoß fortlaufend am Laserstrahl (21 , 44) vorbeibewegt werden zur Bildung einer durchgeheri-- den Schweißnaht (überlappnaht 10, Stumpfnaht 11).
7. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß den Stoßflächen (28, 29, 37, 38) und/oder dem durch dieselben gebildeten Schwei߬ stoß bzw. während des Erhitzens der Stoßflächen (28, 29, 37, 38) wenigstens ein Zusatzstoff zuge~- führt wird zur Verbesserung der Absorption des Lichts des Laserstrahls und/oder zum Legieren des verflüssigten metallischen Werkstoffs der Sto߬ flächen (28, 29, 37, 38).
8. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung unter Schutzgas- durchgeführt wird zur Verhinderung von Verzunderungen an den Stoßflächen (28, 29, 37, 38) und Diffusion von Elementen aus der atmosphärischen Luft in die metallischen Werkstoffe. 9. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Überlappstoßes die in zwei unterschiedlichen Ebenen sowie in Längsrichtung nebeneinanderliegenden Stoßflächen (28, 29) eines oder mehrerer Bleche (12, 13) zur Bildung des Schweißstoßes konvergierend zu einander über¬ lappenden Stoßflächen (28, 29) zusammengeführt werden und der fokussierte Laserstrahl (21) in, Längsrichtung des Schweißstoßes (überlappstoß) auf denselben gerichtet wird mit einem annähernd in der Mitte des Schweißstoßes liegendem Brenn¬ punkt.
10. Verfahren nach Anspruch 9 sowie einem oder mehre- ren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeich¬ net, daß die überlappnaht (10) derart gestaucht wird, daß die Dicke derselben geringer als die Summe der Dicke der beiden Bleche (12, 13) ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem oder mehre- ren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Stumpfstoßes die in einer Ebene mit Abstand voneinander liegenden Stoßflächen (37, 38) eines oder mehrerer Bleche (14, 15) zu¬ sammengeführt werden und der fokussierte Laser- strahl (44) quer zur Ebene der Bleche (14, 15) bzw. des Bleches auf den Stumpfstoß gerichtet wird mit in der Mitte des Schweißstoßes liegendem Brenn¬ punkt.
12. Vorrichtung zum Schweißen plastisch verformbarer Werkstoffe mit einer Energiequelle hoher Leistungs--- dichte, insbesondere wenigstens einem fokussierten Laserstrahl, zum Erwärmen der zu einem Schweißstoß
OMPI zusammengefügten Stoßflächen wenigstens eines Werkstücks (Blechs) mindestens auf Schmelztempe¬ ratur zur Bildung von Schmelze, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Blech bzw. die Bleche ( 2..15) durch mindestens zwei Druckorgane (Stauchrolle' 16, 33, 34; Antriebsrolle 17, 32) zusammendrückbar sind unter Verformung der Schmelze.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Druckorgane (Stauchrolle 16, 33, 34; Antriebsrolle 17, 32) an gegenüberliegenden Seiten der Bleche (12..15) bzw. des Blechs angeordnet sind.
1 . Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Abstand der gegenüber¬ liegenden Druckorgane (Stauchrolle 16, 33, 34; Antriebsrolle 17, 32) kleiner als die Dicke der zwischen denselben hindurchgeführten Bleche (12..15) ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche", dadurch gekenn- zeichnet, daß der Abstand zwischen den gegenüber¬ liegenden Druckorganen (Antriebsrolle bzw. Stauch¬ rolle) veränderbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 20 sowie einem oder mehre ren der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laser eine Schweißoptik (22) zugeordnet ist, die derart justierbar ist, daß der Brennpunkt des durch die Schweißoptik (22) fokussierten Laser¬ strahls (21, 44) in dem zwischen den Stoßflächen (28, 29, 37, 38) gebildeten Schweißstoß liegt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 12 sowie einem oder mehre ren der weiteren Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, daß das Blech bzw. die Bleche (12..15) in Längs¬ richtung des Schweißstoßes bzw. der herzustellenden
Figure imgf000018_0001
Schweißnaht (überlappnaht 10, Stumpfnaht 11) am fokussierten Laserstrahl (21, 44) durch wenigstens ein Transportorgan vorbeibewegbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 12 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß mindestens ein Druckorgan gleich¬ zeitig als Transportorgan dient.
19. Vorrichtung nach Anspruch 12 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Druckorgane als Stauchrollen
(16, 33, 34) bzw. die gleichzeitig als Transport¬ organ dienende Stauchrollen als Antriebsrolle (17, 32) ausgebildet sind mit quer zur Längs¬ richtung der Schweißnaht bzw. des Schweißstoßes verlaufenden. Drehachsen zur reibschlüssigeri Mit¬ nahme der Bleche (12..15) bzw. des Blechs zwischen der Antriebsrolle (17, 32) und der bzw. den gegen¬ überliegenden Stauchrolle(n) (16, 33, 34).
20.' Vorrichtung nach Anspruch 19 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Stauchrollen (16, 33, 34) einen konvex gewölbten Mantel (18, 19) aufweisen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch, gekenn— zeichnet, daß bei zu einem überlappstoß zusammenge¬ fügten, überlappenden Stoßflächen (28, 29) eine Antriebsrolle (17) und eine Stauchrolle (16) vor¬ zugsweise achsparallel gegenüberliegend an je¬ weils einer Stoßfläche (28, 29) anliegend ange- ordnet sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Antriebsrolle (17) und die
Stauchrolle (16) einander mit einem Abstand gegenüberliegen, der geringfügig kleiner als die
Dicke der übereinanderliegenden Stoßflächen (28,
5 29) ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Stauchrolle (16) im Abstand zur Antriebsrolle (17) verstellbar ist durch Ver- 0 Schiebung derselben quer zu ihrer Drehachse in Richtung zur Drehachse der Antriebsrolle (17).
24. Vorrichtung nach Anspruch 19 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß bei zu einem Stumpfstoß zusammen- 5 gefügten Stoßflächen (37, 38) der Bleche (14, 15) bzw. des Bleches einer Antriebsrolle (17) gegen¬ überliegend zwei Stauchrollen ("16) zugeordnet sind, die jeweils einen (seitlichen) Rand des StumpfStoßes berühren.
0 25. Vorrichtung nach Anspruch 24 sowie einem oder- mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Stauchrollen (33, 34) auf einer Seite der Bleche (14, 15) bzw. des Bleches ein¬ ander mit gleicher, entgegengesetzter Neigung 5 gegenüberliegen, wobei die Neigung der Stauch— rollen (33, 34) derart ist, daß von ihre Dreh¬ achsen quer zur Längsrichtung des Stumpfstoßes letzterem aus in Richtung zu dem Blech bzw. zu den Blechen (14, 15) geneigt verlaufen zur Stau- ° chung des Materials in Richtung annähernd quer zur Ebene des StumpfStoßes. 26. Vorrichtung nach Anspruch 25 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn: zeichnet, daß die Antriebsrolle (32) eine um¬ laufende Ringnut (41) in ihrer Mantelfläche auf-
5 weist, die mittig unterhalb der Stumpfnaht (11) liegt zur Abfuhr von bei der Schweißung ge¬ bildeten Dämpfen bzw. Gasen.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 sowie einem oder mehreren der weiteren Ansprüche, dadurch gekenn- ° zeichnet, daß die Stauchrollen (33, 34) eine um¬ laufende Wulst (39, 40) halbkreisförmigen Quer¬ schnitts aufweisen, der an den Blechen (14, 15) anliegt.
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