AT514840A1 - Schweißvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung (1), insbesondere Laserschweißvorrichtung, zum Schweißen von metallischen Werkstücken (3), mit zumindest einem Schweißkopf (2), insbesondere Laserschweißkopf, durch den ein Arbeitsbereich (4) definiert wird, gekennzeichnet durch zumindest eine auf den Arbeitsbereich (4) wirkenden Heizeinrichtung (5) zum Erwärmen des Werkstückes (3), insbesondere vor und/oder nach dem Schweißvorgang.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung, insbesondere Laserschweißvorrichtung, zum Schweißen von Werkstücken, mit zumindest einem Schweißkopf, insbesondere Laserschweißkopf, der in der Arbeitsstellung auf einen Arbeitsbereich gerichtet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Schweißverfahren.

Die EP0739678B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Stahlrohren. Dabei kommt ein Induktor zum Einsatz, der nach einer Seite hin offen ist und dadurch über ein zu schweißendes Rohr positioniert werden kann. Der Induktor dient der Vorerwärmung des Rohres. Der Nachteil eines derartigen Induktors besteht darin, dass das Vorerwärmen nicht gleichmäßig über den gesamten Umfang des Rohres erfolgen kann, wodurch sich unerwünschte Spannungen im Bereich der Schweißstelle ergeben.

Die DE19637465C1 offenbart im Zusammenhang mit Strahlschweißen einen zweiwindigen Halbschaleninduktor zum Vorwärmen des Werkstückes. Der Nachteil einer ungleichmäßigen Vorerwärmung manifestiert sich hier noch stärker als bei der Schweißvorrichtung der vorangegangenen Druckschrift.

Die DE4017634A1 und die EP0262363B1 offenbaren ebenfalls eine induktive Vorerwärmung eines zu schweißenden Werkstückes. Hier besteht der Nachteil darin, dass das Werkstück in den Induktor eingefädelt werden muss und daher nur entlang seiner Längserstreckung gefördert bzw. in die Schweißvorrichtung eingebracht werden kann.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile zu beseitigen und eine Schweißvorrichtung bereitzustellen, mit dem einerseits eine gleichmäßige Erwärmung des Werkstückes auch im unmittel- baren Bereich der (zukünftigen) Schweißnaht erzielbar ist. In Ausführungsformen soll die Einbringung des Werkstückes bzw. zwei miteinander zu verbindender Werkstückteile wesentlich erleichtert werden. Die Schweißvorrichtung soll sich durch platzsparendes Design auszeichnen und leicht steuerbar sein.

Dieses Ziel wird mit einer Schweißvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Schweißvorrichtung zumindest eine auf den Arbeitsbereich wirkenden Heizeinrichtung zum Erwärmen des Werkstückes umfasst, insbesondere vor und/oder nach dem Schweißvorgang. Dies erhöht die Schweißqualität und verhindert insbesondere Risse im Material. Bevorzugt ist die Heizeinrichtung zusätzlich zum Schweißkopf vorgesehen, stellt also eine eigene Wärme- bzw. Energiequelle dar.

Die Heizeinrichtung kann als Vorwärmeinheit und/oder als Nachwärmeinheit ausgebildet sein. Selbst während des eigentlichen Schweißvorganges kann die Heizeinrichtung in Betrieb gesetzt sein, um die Wärmeeinbringung durch den Schweißkopf zu unterstützen. Es kann auch eine Heizeinrichtung als Vorwärmeinheit (Laserquelle) ausgebildet sein und eine weitere Heizeinrichtung als Nachwärmeinheit (Induktor) ausgebildet sein.

Unter Arbeitsbereich wird jener Bereich verstanden, der in der Arbeitsstellung bzw. in den Arbeitsstellungen des in Betrieb genommenen Schweißkopfes von diesem unmittelbar (Aufschmelzen) und mittelbar (Temperatureinbringung) beeinflusst wird. Mit anderen Worten handelt es sich dabei um einen Bereich um die (entstehende) Schweißnaht. Der Arbeitsbereich ist nicht auf die Schweißstelle als solche beschränkt, sondern umfasst auch einen sich um die Schweißstelle erstreckenden Bereich. Der Schweißkopf kann z.B. derart ausgebildet sein, dass er die Arbeitsstellung bei jedem Schweißzyklus von neuem anfährt und inzwischen in einer Warteposition verharrt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Heizeinrichtung oder zumindest ein Teil der Heizeinrichtung relativ zum Arbeitsbereich bewegbar ist, wobei vorzugsweise die Heizeinrichtung oder zumindest ein Teil der Heizeinrichtung mit einem Antrieb verbunden und durch diesen antreibbar ist. Dies er leichtert das Einbringen und den Wechsel der Werkstücke, wodurch die Taktzeit erhöht werden kann. Die Heizeinrichtung bzw. ein Teil davon kann vom Arbeitsbereich weggefahren werden, um dort vorübergehend Platz zu schaffen. Sobald das Werkstück positioniert ist, kann die Heizeinrichtung bzw. einer ihrer Teile wieder in ihre/seine Arbeitsposition verfahren werden, um dort für eine Erwärmung des Werkstückes zu sorgen. Auch kann der Antrieb der Heizeinrichtung bzw. eines Teiles davon dafür genutzt werden, um ein gleichmäßiges Aufheizen des Werkstückes zu gewährleisten, z.B. kann sich die Heizeinrichtung während des Heizvorganges um den Arbeitsbereich drehen.

Bevorzugt ist der Arbeitsbereich in der Arbeitsstellung von einer gehäuseartigen Struktur umgeben, die eine Kammer um den Bereich der entstehenden Schweißnaht bildet. Die gehäuseartige Struktur kann zumindest eine Öffnung für das Einbringen von Schutzgas und/oder zumindest eine Öffnung für den Auslass von Schutzgas und/oder eine Arbeitsöffnung zum Einbringen der Energie des Schweißkopfes aufweisen. Dadurch wird die Wärme im Bereich der Schweißstelle gehalten und ein sparsamer Einsatz eines Spülmediums gewährleistet.

Bevorzugt ist die gehäuseartige Struktur aus thermisch isolierendem Material gebildet oder von einer thermischen Isolationsschicht umgeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Heizeinrichtung zumindest einen im Arbeitsbereich angeordneten elektromagnetischen Induktor zum Erwärmen des Werkstückes durch Induktion umfasst. Dies stellt eine besonders einfache und gleichmäßige Erwärmung sicher. Die Ansteuerung und Regelung eines elektromagnetischen Induktors hat sich als besonders zuverlässig herausgestellt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass der Induktor aus zumindest zwei Induktorteilen gebildet wird, die relativ zueinander bewegbar sind, um in einer Arbeitsstellung ein zu schweißendes Werkstück zu umschließen und in einer Öffnungsstellung, in der die Induktorteile voneinander beabstandet sind, das Werkstück freizugeben.

Der Vorteil dieser Ausführungsform ist insbesondere darin zu sehen, dass das Einbringen des Werkstückes bzw. miteinander zu verbindender Werkstückteile (Verbindungsschweißen) in die Schweißvorrichtung bzw. die Positionierung des Werkstückes im Arbeitsbereich des Schweißkopfes auf sehr einfache Weise erfolgen kann. In der Öffnungsstellung des Induktors sind die Induktorteile ausreichend voneinander beabstandet, sodass das Werkstück aus verschiedenen Richtungen, insbesondere auch quer zur Längserstreckung des Werkstückes, eingebracht werden kann. Es ist nicht mehr nötig das (längliche) Werkstück in den Induktor einzufädeln.

Die Induktorteile sind bevorzugt Segmente eines in seiner Gesamtheit ringförmigen Gebildes, das in der Arbeitsstellung ein längliches Werkstück umgibt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Induktorteile vorgesehen, die im Wesentlichen gleich große Halbsegmente des Induktors bilden. Selbstverständlich sind auch mehr als zwei Induktorteile denkbar, auch ist die gleiche Größe der Induktorteile nicht zwingend. Das ringförmige Gebilde muss nicht unbedingt kreisringförmig sein, sondern könnte auch mit Ecken versehen sein (z.B. viereckig bzw. auch vieleckig).

Die Schweißvorrichtung ist bevorzugt eine Laserschweißvorrichtung mit einem Laserbearbeitungskopf, da die emittierten Photonen durch das Magnetfeld des Induktors unbeeinflusst bleiben und somit ein induktives Heizen auch während des eigentlichen Schweißvorganges (Laserstrahl wird auf das Werkstück gerichtet) problemlos von statten geht. Grundsätzlich wären aber auch auf anderem Prinzip funktionierende Schweißvorrichtungen denkbar: Strahlschweißen (Laser, Elektronen), Lichtbogenschweißen, MAG

Eine bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Induktorteile in Richtung quer, vorzugsweise senkrecht zur Achse des Induktors relativ zueinander bewegbar sind. Dies stellt eine besonders platzsparende und im Hinblick auf das Werkstück-Handling vorteilhafte Lösung dar.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass zumindest einer der Induktorteile mit einem Antrieb verbunden und durch diesen relativ zum anderen Induktorteil antreibbar ist. Eine händische Betätigung ist dadurch nicht erforderlich, was insbesondere bei den hohen Temperaturen von großem Vorteil ist. Es wäre selbstverständlich auch möglich, beide Induktorteile durch einen gemeinsamen oder getrennte Antriebe anzutreiben. Wichtig ist, dass eine Öffnungsstellung erreicht wird, in der ein Werkstück in den Arbeitsbereich eingebracht werden kann.

In einer anderen Ausführungsform könnte die Heizeinrichtung oder zumindest ein Teil der Heizeinrichtung parallel zur Längsachse des Werkstückes verfahrbar ausgebildet sein.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Schweißvorrichtung eine Steuereinrichtung umfasst, die mit dem Antrieb verbunden ist und diesen automatisch steuert. Dies ermöglicht eine weitreichende Automatisierung des Schweißvorganges. Zusammen mit einer Fördereinrichtung für den An- und Abtransport der Werkstücke bzw. für ihre Positionierung im Arbeitsbereich, insbesondere einer angetriebenen Kette oder Bandes, kann der gesamte Prozess automatisiert ablaufen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Schweißvorrichtung zumindest zwei Gehäuseteile aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind, um in einer Arbeitsstellung eine Kammer um den Arbeitsbereich zu bilden, und dass einer der Induktorteile in einem der Gehäuseteile und ein anderer Induktorteil in einem anderen Gehäuseteil integriert ist. Die Gehäuseteile bilden ein mehr oder weniger umschlossene Kammer, die zur sparsamen Bereitstellung eines Spülmediums in den Arbeitsbereich dienen kann. Außerdem verhindern die Gehäuseteile, dass die Wärme nach außen hin verloren geht. Die (Ener-gie)Effizienz eines derartigen Prozesses lässt sich damit stark erhöhen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Induktorteile jeweils an der Innenwand der Gehäuseteile sitzen. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und platzsparende Lösung, bei der die Induktorteile besonders nahe an der (zukünftigen) Schweißnaht angeordnet werden können.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass zumindest einer der Gehäuseteile einen Einlass für die Zufuhr eines Spülmediums aufweist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass zumindest einer der Gehäuseteile einen Auslass für die Abfuhr eines Spülmediums aufweist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass zumindest einer der Gehäuseteile eine Arbeitsöffnung aufweist, durch die Wärmeenergie von dem außerhalb der Kammer angeordneten Schweißkopf zum Werkstück gelangen kann. Der Schweißkopf ist dabei außerhalb der Gehäuseteile angeordnet. Die in die Kammer und somit in den Arbeitsbereich eingebrachte Wärmeenergie wird nur sehr langsam an die Umgebung abgegeben.

Bevorzugt sind die Gehäuseteile mit einer Isolation aus thermisch isolierendem Material umgeben, wodurch der Effekt der Wärmekonzentration im Arbeitsbereich weiter verstärkt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass im Arbeitsbereich ein Temperatursensor angeordnet ist, der vorzugsweise an einem der Induktorteile angekoppelt ist. Eine Temperaturmessung im unmittelbaren Arbeitsbereich ermöglicht die Regelung wichtiger Prozessparameter, insbesondere der Leistung, wodurch die eine besonders gute Qualität der Schweißnaht gewährleistet wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Windungsanzahl des Induktors in Bezug auf den Arbeitsbereich symmetrisch ist. Dies gewährleistet eine gleichmäßige induktive Vor- und/oder Nacherwärmung oder ein gleichmäßiges induktives Wärmen während des eigentlichen Schweißvorganges. Symmetrisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass auf beiden Seiten der Schweißstelle gleich viele stromführende Windungen vorgesehen sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Schweißvorrichtung eine Steuereinrichtung umfasst, die mit der Stromversorgung des Induktors, mit dem Schweißkopf und gegebenenfalls mit dem Temperatursensor verbunden ist. Dadurch lässt sich eine vollautomatisierte Steuerung des erfin-dungsgemäßen Schweißvorrichtung realisieren.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Heizeinrichtung eine Strahlungsquelle, insbesondere eine Laserquelle, ist, wobei vorzugsweise die Strahlungsquelle durch einen Antrieb um den Arbeitsbereich drehbar ist. Durch die Drehbarkeit können alle Bereiche der Schweißstelle gleichmäßig bestrahlt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Heizeinrichtung Strahlumlenkmittel umfasst, die vom Schweißkopf emittierte Strahlen umlenkt und auf den Arbeitsbereich richtet. In dieser Ausführungsform kann die Energie des Schweißkopfes gleichzeitig zur Vorwärmung und/oder Nachwärmung genutzt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Heizeinrichtung zumindest ein elektrisches Heizelement umfasst.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die zumindest eine Heizeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie beidseits der Schweißstelle auf das Werkstück wirkt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass eine erste Heizeinrichtung auf eine Seite der Schweißstelle wirkt und eine zweite Heizeinrichtung auf die andere Seite der Schweißstelle wirkt.

Diese beiden Ausführungsformen sorgen ebenfalls für eine gleichmäßige Erwärmung des Werkstückes.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass die Schweißvorrichtung zumindest zwei nebeneinander angeordnete Schweißplätze bzw. Schweißbahnen umfasst, die von zumindest einem verfahrbaren Werkstückträger mit zu schweißenden Werkstücken oder Werkstückteilen bestückbar sind, und dass die zumindest eine Heizeinrichtung derart ausgebildet ist, dass Werkstücke oder Werkstückteile zeitlich getaktet mit der Heizeinrichtung erwärmbar sind, wo bei vorzugsweise jeder Schweißplatz bzw. jede Schweißbahn eine eigene Heizeinrichtung umfasst. Dies erlaubt einen parallelen Arbeitsgang, wodurch die Taktzeiten wesentlich verkürzt werden können. So kann an einer ersten Schweißbahn eine Vorerwärmung erfolgen, während eine weitere Schweißbahn bereits mit einem Werkstück bestückt werden kann. Wird auf der ersten Schweißbahn geschweißt kann auf der zweiten Schweißbahn bereits vorerwärmt werden. Der Werkstückträger sorgt für eine ständige Beschickung der Schweißbahnen. Es gibt keine Totzeiten.

Das Ziel wird auch mit einem Schweißverfahren, insbesondere Laserschweißverfahren, zum Schweißen von metallischen, insbesondere Werkstücken mit einer Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Positionieren eines zu schweißenden Werkstückes im Arbeitsbereich des Schweißkopfes; Durchführung des Schweißvorganges durch Betätigen des Schweißkopfes; und Wärmen des Werkstückes durch die Heizeinrichtung vor, während und/oder nach dem Schweißvorgang.

Schweißverfahren, insbesondere Laserschweißverfahren, zum Schweißen von metallischen, insbesondere länglichen Werkstücken mit einer Schweißvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen erreicht, gekennzeichnet durch die Schritte: Positionieren eines zu schweißenden Werkstückes im Arbeitsbereich des Schweißkopfes während sich der Induktor in einer Öffnungsstellung befindet, in der die Induktor-teile voneinander beabstandet sind; Relativbewegen der Induktorteile in die Arbeitsstellung, um das zu schweißende Werkstück zu umschließen; Durchführung des Schweißvorganges durch Betätigen des Schweißkopfes; und Wärmen des Werkstückes durch Bestromung des Induktors.

Zusätzlich zu den bereits erwähnten Vorteilen ist hier zu erwähnen, dass das zusätzliche Wärmen des Werkstückes durch Induktion folgende vorteilhafte Wirkungen haben kann: Reduzierung des Energieverbrauches des Schweißkopfes; Gleichmäßige Vor- und/oder Nachwärmung zur Verhinderung von Härterissen; und langsames und kontrolliertes Abkühlen zur Erhöhung der Festigkeit der Schweißnaht.

Eine bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass ein Wärmen des Werkstückes durch die Heizeinrichtung (z.B. Bestromung des Induktors) vordem Schweißvorgang erfolgt, wobei vorzugsweise die Dauer des Heizvorganges vor dem Schweißvorgang zumindest 0,5s, vorzugsweise zumindest 1s beträgt. Durch diese Maßnahme werden das Werkstück bzw. die Werkstückteile im Bereich der (zukünftigen) Schweißnaht auf ein vorgegebenes Temperaturniveau gebracht (z.B. zwischen 300°C und 400°C). Die Leistung des Schweißkopfes, z.B. Laserschweißkopfes, kann daher kleiner sein.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass ein Wärmen des Werkstückes durch die Heizeinrichtung (z.B. Bestromung des Induktors) während des Schweißvorganges erfolgt. Die Heizeinrichtung unterstützt dabei die Wärmeentwicklung im Werkstück, ohne dabei für sich allein einen Schweißvorgang durchzuführen zu können.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass ein Wärmen des Werkstückes durch die Heizeinrichtung (z.B. Bestromung des Induktors) nach dem Schweißvorgang erfolgt, wobei vorzugsweise die Dauer des Heizvorganges nach dem Schweißvorgang zumindest 5s, vorzugsweise zumindest 10s beträgt. Eine derartige Nachbehandlung ist gemäß Erfindung besonders vorteilhaft, da unmittelbar an den Schweißvorgang anschließend die Schweißnaht auf einem vorgegebenen Temperaturniveau gehalten werden kann (vorzugsweise zwischen 300°C und 400°C), um Risse im Material hintanzuhalten. Durch die Anordnung der Heizeinrichtung (z.B. Induktors) im Arbeitsbereich bzw. deren Ausrichtung auf den Arbeitsbereich wird vor Ort gewährleistet, dass die Temperatur nicht unter einen für die Härtung der Schweißnaht ungünstige Temperatur fällt. Eine gesonderte Wärmebehandlung außerhalb der Schweißvorrichtung ist somit nicht mehr erforderlich.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass vor, während und/oder nach dem Schweißvorgang eine Temperaturmessung durch einen im Arbeitsbereich angeordneten Temperatursensor erfolgt und dass das Wärmen des Werkstückes durch Bestromung des Induktors in Abhängigkeit der Temperatur messung von einer Steuereinrichtung geregelt wird. Dies ermöglicht eine besonders genaue Temperaturregelung und führt zu hochqualitativen Schweißnähten.

Eine bevorzugte Ausführungsform stellt das Laserschweißen mit integriertem Induktionswärmeverfahren dar. Ein geteilter Induktor fährt von oben und unten über das zu schweißende Werkstück, z.B. ein Rohr, nachdem die Fördereinrichtung, z.B. Kette, eingetaktet ist. Dies bringt eine markante Reduzierung der nicht wertschöpfenden Bewegungen, ansonsten müsste überdas Werkstück (Rohr) aufgefädelt werden. Die Vorwärmzeit beträgt ca. 1-2 s. Anschließend erfolgt das Laserschweißen. Die Nachwärmzeit beträgt je nach Material zumindest ca. 10s.

Durch diese Maßnahme erfolgt absolut keine Unterbrechung zwischen dem Laserschweißvorgang und dem Nachwärmen. Härterisse werden vermieden, ein sicherer Prozess wird gewährleistet. Anschließend fahren die Induktorteile auseinander und die Förderkette wird weitergetaktet.

Somit kann in einem einzigen Modul vorgewärmt, geschweißt und nachgewärmt werden. Es ist vorzugsweise nur ein kleiner Induktor nötig (Wärme nur dort wo benötigt), wodurch Energie gespart werden kann.

Wie bereits erwähnt kann der Induktor in einer Schale bzw. einem Gehäuse integriert sein, welche mit Spülgas geflutet wird und um den Schweißbereich eine Art Kammer bildet. Auf der gegenüberliegenden Seite kann ein Absaugkanal für das Spülgas vorgesehen sein. Eine Temperaturmessung, insbesondere innerhalb der Kammer kann vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei der Herstellung von Rund- als auch bei Längsnähten eingesetzt werden.

Der Schweißkopf kann sich in Bezug auf das Werkstück drehen oder aber das Werkstück dreht sich relativ zum Schweißkopf.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung;

Fig. 2 einen Gehäuseteil mit integriertem Induktorteil;

Fig. 3 die Außenseite zweier zusammengehöriger Gehäuseteile;

Fig. 4 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung;

Fig. 5 eine Ausführungsform der eine Kammer bildenden Gehäuseteile;

Fig. 6 den Temperaturverlauf im unmittelbaren Bereich der Schweißnaht;

Fig. 7 eine Ausführungsform mit einer Strahlung emittierenden Fleizeinrichtung;

Fig. 8 eine Ausführungsform mit parallelen Schweißplätzen bzw. Schweißbahnen.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten der Schweißvorrichtung, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.

Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.

Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden. Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.

Vor allem können die einzelnen in den Figuren gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.

Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Schweißvorrichtung diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden

Fig. 1 zeigt eine Schweißvorrichtung 1 in Form einer Laserschweißvorrichtung, zum Schweißen von Werkstücken 3, mit zumindest einem Laserschweißkopf 2, der in der Arbeitsstellung auf einen Arbeitsbereich 4 gerichtet ist. Die Schweißvorrichtung umfasst zumindest eine auf den Arbeitsbereich 4 wirkende Heizeinrichtung 5 zum Erwärmen des Werkstückes 3, insbesondere vor und/oder nach dem Schweißvorgang oder auch während des Schweißvorganges.

In der dargestellten Ausführungsform ist die Heizeinrichtung 5 oder zumindest ein Teil 6, 7 der Heizeinrichtung 5 relativ zum Arbeitsbereich 4 bewegbar. Dazu ist ein Teil 6 der Heizeinrichtung 5 mit einem Antrieb 8 verbunden und durch diesen antreibbar. Der Antrieb 8 kann z.B. ein pneumatischer, ein hydraulischer, ein elektrischer oder magnetischer Antrieb sein.

In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Heizeinrichtung zumindest einen im Arbeitsbereich 4 angeordneten Induktor 5 zum Erwärmen des Werkstückes 3 durch Induktion. Der Induktor 5 wird aus zumindest zwei Induktorteilen 6, 7 gebildet, die relativ zueinander bewegbar sind, um in einer Arbeitsstellung ein zu schweißendes Werkstück 3 zu umschließen und in einer Öffnungsstellung, in der die Induktorteile 6, 7 voneinander beabstandet sind, das Werkstück 3 freizugeben. Während Fig. 1 eine Öffnungsstellung zeigt, ist in den Fig. 4 und 5 die Arbeitsstellung des Induktors 5 zu sehen. Die um den Arbeitsbereich 4 angeordneten strom-führenden Windungen 9, 10 der Induktorteile 6, 7 sind rein schematisch dargestellt und könnten jeden geeigneten Verlauf aufweisen.

Die Induktorteile 6, 7 sind in Richtung quer, vorzugsweise senkrecht zur Achse 19 des Induktors 5 (Fig. 4) relativ zueinander bewegbar. Zumindest einer der Induktorteile 6 kann mit einem Antrieb 8 verbunden sein und durch diesen relativ zum anderen Induktorteil 7 antreibbar. Die Induktorteile können sich von oben und unten um das Werkstück schließen oder aber auch aus seitlicher Richtung (Fig. 5).

Die Schweißvorrichtung 1 aus Fig. 1 umfasst auch eine Steuereinrichtung 12, die mit dem Antrieb 8 verbunden ist und diesen automatisch steuert.

In der dargestellten Ausführungsform weist die Schweißvorrichtung 1 zumindest zwei Gehäuseteile 14,15 auf, die relativ zueinander bewegbar sind, um in einer Arbeitsstellung eine Kammer 21 (Fig. 4) um den Arbeitsbereich 4 zu bilden. Dabei ist einer der Induktorteile 6 in einem der Gehäuseteile 14 und ein anderer Induktorteil 7 in einem anderen Gehäuseteil 15 integriert. Die Induktorteile 6, 7 sitzen vorzugsweise jeweils an der Innenwand der Gehäuseteile 14, 15.

Wie aus Fig. 2 zu sehen, sind die Gehäuseteile in Halbschalenform ausgebildet und können so eine mehr oder weniger geschlossene Kammer 21 um den Arbeitsbereich 4 bilden.

Wie aus Fig. 3 zu sehen ist, in der die Gehäuseteile von außen (oben und unten) abgebildet sind, weist einer der Gehäuseteile 14 einen Einlass 17 für die Zufuhr eines Spülmediums (z.B. Schutzgas) auf. Der andere Gehäuseteil 15 weist einen Auslass 18 für die Abfuhr eines Spülmediums auf. Einer der Gehäuseteile 15 weist eine Arbeitsöffnung 16 auf, durch die Wärmeenergie von dem außerhalb der Kammer 21 angeordneten Schweißkopf 2, insbesondere in Form eines Laserstrahles, zum Werkstück 3 gelangen kann (siehe auch Fig. 4).

Im Arbeitsbereich 4 ist ein Temperatursensor 13 angeordnet, der vorzugsweise an einem Induktorteil 7 angekoppelt ist und innerhalb des Gehäuseteils 15 sitzt.

Die Windungsanzahl des Induktors 5 in Bezug auf den Arbeitsbereich (4) ist vorzugsweise symmetrisch, z.B. jeweils eine Windung links und rechts der Schweißstelle (Fig. 4).

Fig. 5 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei der das Gehäuse bzw. das gehäuseartige Gebilde von einer thermischen Isolation 20 umgeben ist. Alternativ könnte das Gehäuse 14, 15 selbst aus thermisch isolierendem Material gebildet sein. Auch zu sehen ist die Möglichkeit den Schweißstrahl zwischen den Gehäuseteilen 14, 15 in die Kammer 21 einzubringen.

Die Steuereinrichtung 12 ist auch mit einer Stromversorgung 11 des Induktors 5, mit dem Schweißkopf 2 und gegebenenfalls mit dem Temperatursensor 13 verbunden, um einen automatisierten Prozessablauf zu gewährleisten.

Wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 dargestellt kann die Heizeinrichtung 22 auch eine Strahlungsquelle sein, insbesondere eine Laserquelle, die vorzugsweise durch einen Antrieb 8 um den Arbeitsbereich 4 drehbar ist, z.B. um die Längsachse des Werkstückes 3. Die Darstellung des Antriebes 8 ist rein schematisch und dient lediglich der Veranschaulichung. Auch hier kann es sich um einen Rotationsoder Linearantrieb handeln, der z.B. elektrisch, magnetisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben wird.

Alternativ könnte die Heizeinrichtung auch Strahlungenkmittel umfassen, die vom Schweißkopf 2 emittierte Strahlen umlenkt und auf den Arbeitsbereich 4 richtet.

Auch wäre es denkbar, dass die Heizeinrichtung zumindest ein elektrisches Heizelement umfasst.

Besonders bevorzugt ist, wenn die zumindest eine Heizeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie beidseits der Schweißstelle auf das Werkstück 3 wirkt, wie dies etwa in Fig. 4 dargestellt ist. Auch könnte eine erste Heizeinrichtung 5, 22 auf eine Seite der Schweißstelle wirkt und eine zweite Heizeinrichtung 5, 22 auf die andere Seite der Schweißstelle einwirken (Fig. 7).

In der Ausführungsform der Fig. 8 ist zu sehen, dass die Schweißvorrichtung 1 zumindest zwei (hier: drei) nebeneinander angeordnete Schweißplätze bzw. Schweißbahnen umfasst, die von zumindest einem Werkstückträger 23 mit zu schweißenden Werkstücken 3 oder Werkstückteilen bestückbar sind. Die Heizeinrichtung bzw. Heizeinrichtungen sind derart ausgebildet, dass Werkstücke 3 oder Werkstückteile zeitlich getaktet mit der Heizeinrichtung erwärmbar sind, wobei vorzugsweise jeder Schweißplatz bzw. jede Schweißbahn eine eigene Heizeinrichtung umfasst.

Im Folgenden werden die bevorzugte Schweißverfahren näher beschrieben. Dabei handelt es sich um ein Schweißverfahren, insbesondere Laserschweißverfahren, zum Schweißen von Werkstücken 3 mit einer der vorhin beschriebenen Schweißvorrichtungen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Positionieren eines zu schweißenden Werkstückes 3 im Arbeitsbereich 4 des Schweißkopfes; Durchführung des Schweißvorganges durch Betätigen des Schweißkopfes 2; und Wärmen des Werkstückes 3 durch die Heizeinrichtung 5, 22 vor, während und/oder nach dem Schweißvorgang.

Vorzugsweise handelt es sich um ein Schweißverfahren, insbesondere Laserschweißverfahren, zum Schweißen von metallischen Werkstücken 3 gekennzeichnet durch die Schritte: Positionieren eines zu schweißenden Werkstückes 3 im Arbeitsbereich 4 des Schweißkopfes 2 während sich der Induktor 5 in einer Öffnungsstellung befindet, in der die Induktorteile 6, 7 voneinander beabstandet sind; Relativbewegen der Induktorteile 6, 7 in die Arbeitsstellung, um das zu schweißende Werkstück 3 zu umschließen; Durchführung des Schweißvorganges durch Betätigen des Schweißkopfes 2; und Wärmen des Werkstückes 3 durch Bestromung des Induktors 5.

Vorzugsweise erfolgt ein Wärmen des Werkstückes 3 durch die Heizeinrichtung 5, 22 vor dem Schweißvorgang, wobei vorzugsweise die Dauer des Heizvorganges vordem Schweißvorgang zumindest 0,01s (Sekunden), vorzugsweise zumindest 0,5s, besonders bevorzugt zumindest 1s beträgt. Besonders kurze Vorwärmzeiten sind mit einer Laserquelle als Heizeinrichtung zu erzielen.

Vorzugsweise erfolgt ein Wärmen des Werkstückes 3 durch die Heizeinrichtung 5, 22 während des Schweißvorganges.

Vorzugsweise erfolgt ein Wärmen des Werkstückes 3 durch die Heizeinrichtung 5, 22 nach dem Schweißvorgang, wobei vorzugsweise die Dauer des Heizvorganges nach dem Schweißvorgang zumindest 5s, vorzugsweise zumindest 10s beträgt.

An dieser Stelle sei bemerkt, dass die oben angeführten Zeitangaben rein exemplarisch sind und für eine bestimmte Konstellation (insbesondere bei Induktion) bevorzugt sein können. Die tatsächlich erforderlichen Vor- und/oder Nach-Wärmezeiten hängen jedoch von der Art des Material, von der Form des Materials und insbesondere von der Materialdicke ab.

Anhand der Fig. 6 wird ein bevorzugter Arbeitsvorgang näher beschrieben. In einem ersten Schritt wird die Temperatur des Werkstückes 3 durch die Heizeinrichtung, z.B. den Induktor 5, auf einen Wert zwischen 300°C und 450°C, vorzugsweise auf einen Wert zwischen 320°C und 400°C (hier: 370°C) gebracht. In einem weiteren Schritt erfolgt der eigentliche Schweißvorgang durch Betätigung des Schweißkopfes 2. Hier werden je nach Material hohe Temperaturen erreicht (z.B. zwischen 800°C und 900°C, hier: 850°C, wobei wesentlich höhere Temperaturen möglich sind). In einem anschließenden Schritt wird unmittelbar nach dem Schweißvorgang das Werkstück durch die Heizeinrichtung auf einem Wert zwischen 250°C und 400°C, vorzugsweise auf einem Wert zwischen 300°C und 380°C (hier: 330°C) gehalten. Durch die erfindungsgemäße Heizeinrichtung wird verhindert, dass die Temperatur nach dem Schweißvorgang in unerwünschter

Weise stark abfällt, bevor ein Wärmebehandlungsschritt erfolgt (strichlierter Verlauf in Fig. 6).

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt vor, während und/oder nach dem Schweißvorgang eine Temperaturmessung durch einen im Arbeitsbereich 4 angeordneten Temperatursensor 13 (Fig. 1) und wird das Wärmen des Werkstückes 3 durch die Fleizeinrichtung in Abhängigkeit der Temperaturmessung von einer Steuereinrichtung 12 geregelt.

Bezugszeichenliste 1 Schweißvorrichtung 2 Schweißkopf 3 Werkstück 4 Arbeitsbereich 5 Induktor 6 Erster Induktorteil 7 Zweiter Induktorteil 8 Antrieb 9 Windung 10 Windung 11 Stromversorgung 12 Steuereinrichtung 13 Temperatursensor 14 erster Gehäuseteil 15 zweiter Gehäuseteil 16 Arbeitsöffnung 17 Einlass 18 Auslass 19 Achse des Induktors 5 20 Isolierung 21 Kammer 22 Strahlungsquelle 23 Werkstückträger

Claims (29)

1. Patentansprüche 1. Schweißvorrichtung (1), insbesondere Laserschweißvorrichtung, zum Schweißen von Werkstücken (3), mit zumindest einem Schweißkopf (2), insbesondere Laserschweißkopf, der in der Arbeitsstellung auf einen Arbeitsbereich (4) gerichtet ist, gekennzeichnet durch zumindest eine auf den Arbeitsbereich (4) wirkenden Heizeinrichtung (5) zum Erwärmen des Werkstückes (3), insbesondere vor und/oder nach dem Schweißvorgang.
2. 2. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5, 22) oder zumindest ein Teil (6, 7) der Heizeinrichtung (5, 22) relativ zum Arbeitsbereich (4) bewegbar ist, wobei vorzugsweise die Heizeinrichtung (5, 22) oder zumindest ein Teil (6, 7) der Heizeinrichtung (5, 22) mit einem Antrieb (8) verbunden und durch diesen antreibbar ist.
3. 3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zumindest einen im Arbeitsbereich (4) angeordneten Induktor (5) zum Erwärmen des Werkstückes (3) durch Induktion umfasst.
4. 4. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, der Induktor (5) aus zumindest zwei Induktorteilen (6, 7) gebildet wird, die relativ zueinander bewegbar sind, um in einer Arbeitsstellung ein zu schweißendes Werkstück (3) zu umschließen und in einer Öffnungsstellung, in der die Induktorteile (6, 7) voneinander beabstandet sind, das Werkstück (3) freizugeben.
5. 5. Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktorteile (6, 7) in Richtung quer, vorzugsweise senkrecht zur Achse (19) des Induktors (5) relativ zueinander bewegbar sind.
6. 6. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Induktorteile (6, 7) mit einem Antrieb (8) verbunden und durch diesen relativ zum anderen Induktorteil (7, 6) antreibbar ist.
7. 7. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißvorrichtung (1) eine Steuereinrichtung (12) umfasst, die mit dem Antrieb (8) verbunden ist und diesen automatisch steuert.
8. 8. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißvorrichtung (1) zumindest zwei Gehäuseteile (14, 15) aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind, um in einer Arbeitsstellung eine Kammer (21) um den Arbeitsbereich (4) zu bilden, und dass einer der Induktorteile (6) in einem der Gehäuseteile (14) und ein anderer Induktorteil (7) in einem anderen Gehäuseteil (15) integriert ist.
9. 9. Schweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktorteile (6, 7) jeweils an der Innenwand der Gehäuseteile (14, 15) sitzen.
10. 10. Schweißvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Gehäuseteile (14) einen Einlass (17) für die Zufuhr eines Spülmediums aufweist.
11. 11. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Gehäuseteile (15) einen Auslass (18) für die Abfuhr eines Spülmediums aufweist.
12. 12. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Gehäuseteile (14, 15) eine Arbeitsöffnung (16) aufweist, durch die Wärmeenergie von dem außerhalb der Kammer angeordneten Schweißkopf (2), insbesondere in Form eines Laserstrahles, zum Werkstück (3) gelangen kann.
13. 13. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitsbereich (4) ein Temperatursensor (13) angeordnet ist, der vorzugsweise an einem der Induktorteile (6, 7) angekoppelt ist.
14. 14. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsanzahl des Induktors (5) in Bezug auf den Arbeitsbereich (4) symmetrisch ist.
15. 15. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißvorrichtung (1) eine Steuereinrichtung (12) umfasst, die mit einer Stromversorgung (11) des Induktors (5), mit dem Schweißkopf (2) und gegebenenfalls mit dem Temperatursensor (13) verbunden ist.
16. 16. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (22) eine Strahlungsquelle, insbesondere eine Laserquelle, ist, wobei vorzugsweise die Strahlungsquelle durch einen Antrieb (8) um den Arbeitsbereich (4) drehbar ist.
17. 17. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung Strahlumlenkmittel umfasst, die vom Schweißkopf (2) emittierte Strahlen umlenkt und auf den Arbeitsbereich (4) richtet.
18. 18. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zumindest ein elektrisches Heizelement umfasst.
19. 19. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Heizeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie beidseits der Schweißstelle auf das Werkstück (3) wirkt.
20. 20. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Heizeinrichtung (5, 22) auf eine Seite der Schweißstelle wirkt und eine zweite Heizeinrichtung (5, 22) auf die andere Seite der Schweißstelle wirkt.
21. 21. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißvorrichtung (1) zumindest zwei nebeneinander angeordnete Schweißplätze bzw. Schweißbahnen umfasst, die von zumindest einem Werkstückträger (23) mit zu schweißenden Werkstücken (3) oder Werkstückteilen bestückbar sind, und dass die zumindest eine Heizeinrichtung (5, 22) derart ausgebildet ist, dass Werkstücke (3) oder Werkstückteile zeitlich getaktet mit der Heizeinrichtung (5, 22) erwärmbar sind, wobei vorzugsweise jeder Schweißplatz bzw. jede Schweißbahn eine eigene Heizeinrichtung (5, 22) umfasst.
22. 22. Schweißverfahren, insbesondere Laserschweißverfahren, zum Schweißen von Werkstücken (3) mit einer Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Positionieren eines zu schweißenden Werkstückes (3) im Arbeitsbereich (4) des Schweißkopfes; Durchführung des Schweißvorganges durch Betätigen des Schweißkopfes (2); und Wärmen des Werkstückes (3) durch die Heizeinrichtung (5) vor, während und/oder nach dem Schweißvorgang.
23. 23. Schweißverfahren, insbesondere Laserschweißverfahren, zum Schweißen von metallischen Werkstücken (3) mit einer Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15 gekennzeichnet durch die Schritte: Positionieren eines zu schweißenden Werkstückes (3) im Arbeitsbereich (4) des Schweißkopfes (2) während sich der Induktor (5) in einer Öffnungsstellung befindet, in der die Induktorteile (6, 7) voneinander beabstandet sind; Relativbewegen der Induktorteile (6, 7) in die Arbeitsstellung, um das zu schweißende Werkstück (3) zu umschließen; Durchführung des Schweißvorganges durch Betätigen des Schweißkopfes (2); und Wärmen des Werkstückes (3) durch Bestromung des Induktors (5).
24. 24. Schweißverfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmen des Werkstückes (3) durch die Heizeinrichtung (5, 22) vor dem Schweißvorgang erfolgt.
25. 25. Schweißverfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) während des Vorwärmens durch die Heizeinrichtung (5, 22) im Bereich der zukünftigen Schweißnaht auf eine Temperatur zwischen 300°C und 450°C, vorzugsweise zwischen 320°C und 400°C gebracht wird.
26. 26. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmen des Werkstückes (3) durch die Heizeinrichtung (5, 22) während des Schweißvorganges erfolgt.
27. 27. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmen des Werkstückes (3) durch die Heizeinrichtung (5, 22) nach dem Schweißvorgang erfolgt.
28. 28. Schweißverfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) während des Nachwärmens durch die Heizeinrichtung (5, 22) im Bereich der Schweißnaht auf einer Temperatur zwischen 250°C und 400°C, vorzugsweise zwischen 300°C und 380°C gehalten wird.
29. 29. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während und/oder nach dem Schweißvorgang eine Temperaturmessung durch einen im Arbeitsbereich (4) angeordneten Temperatursensor (13) erfolgt und dass das Wärmen des Werkstückes (3) durch die Heizeinrichtung (5, 22) in Abhängigkeit der Temperaturmessung von einer Steuereinrichtung (12) geregelt wird.