DK165283B - Fremgangsmaade ved laserstraalesvejsning - Google Patents

Description

DK 165283 B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til 5 svejsning af en jernholdig metalplade med en tykkelse på 2-25 mm til et underliggende fastgørelseselement, som er i kontakt med eller er tæt ved pladen, ved hvilken fremgangsmåde en 5-25 kW laserstråle fokuseres på pladen og bevæges langs denne fra den anden side af pladen i forhold til kon-10 taktarealet.

Et almindeligt svejsekrav, hvormed den foreliggende opfindelse beskæftiger sig, er svejsning af en plade til en anden i eller næsten i en vinkelret konfiguration, det vil 15 sige en T-svejsning.

Dette udføres typisk ved at ékabe en svejsesøm langs hvert indre hjørne, hvilket kræver to arbejdsgange. Behovet for at give de fæstede pladehjørner en skråretning eller affas-20. ning for at forbedre svejsepenetrationen opstår også, når der anvendes kraftig plade. Lignende teknikker anvendes, når en valset eller i forvejen fremstillet sektion skal fastgøres til en plades overflade ved svejsning.

25 De dybe penetrationsegenskaber for meget kraftige laser stråler har ført til, at de er blevet betragtet som en kilde for energi ved svejseprocesser. I en sideløbende patentansøgning, EP-A-0.129.962, beskrives en sådan fremgangsmåde, der især er tilpasset for anvendelse under værksteds-30 eller byggepladsbetingelser. Fremgangsmåden indebærer an vendelse af et element, der rammes af en laserstråle, for eksempel en tråd, så eventuelle gab i pasningen mellem pladerne, der skal svejses, ikke fører til tab af energi på grund af, at den fokuserede laserstråle undviger gennem 35 gabet, det vil sige uden at overføre energi og plasmadannelse. Fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse

DK 165283 B

2 kan anvendes både til stuksvejsning og T-svejsning.

Den foreliggende opfindelse har til formål at tilvejebringe en ny svejseteknik under anvendelse af en fint fokuseret 5 laserstråles dybe penetration for at opnå smeltning og svejsning af en T-sektion eller lignende svejsning.

Dette formål opnås ved en fremgangsmåde af den indledningsvist angivne art, hvilken fremgangsmåde ifølge opfindelsen 10 er særegen ved, at en fyldetråd føres til laserstrålens fokus, og at en forsyning af gas rettes for i det mindste delvis at begrænse plasmaet, der dannes ved anslaget mod metallet og fyldetråden, hvorved den fokuserede laserstråle smelter metallet, både i pladen og det underliggende fast-15 gørelseselement sammen med fyldetråden, så det smeltede metal under et kan styres til at udfylde ethvert’ gab, der måtte opstå mellem pladen og det underliggende fastgørelseselement, og på hver side af svejselinien, hvorved der efter størkning dannes en svejsesøm med en ensartet struk-20 tur og et ensartet udseende.

Hvis det underliggende fastgørelseselement har afstand fra pladen, kan fremgangsmåden stadig anvendes, da smeltet materiale fra fyldetråden vil flyde for at forsøge at fylde 25 et eventuelt sådant hulrum og kan erstatte denne mangel og forbedre svejseegenskaberne.

Det indbyrdes forhold mellem pladen og det underliggende fastgørelseselement kan være som en T-svejsning, det vil 30 sige en svejsning, hvor den underliggende plade anbringes i eller næsten i ret vinkel til den øverste plade. Svejsesømmen passerer derefter gennem den underliggende plades endeflade i en enkel dyb penetrationspassage, der giver en gen-nemsvejset forbindelse med unik form.

35

Et alternativt indbyrdes forhold er det, hvor det underlig-

DK 165283 B

3 gende fastgørelseselement er udformet til kontakt som en ombukning eller kant parallelt med den øverste plades underside. Bredden af den dannede kant kan tillade, at der dannes to eller flere parallelle gennemsvejsninger ifølge 5 opfindelsen.

Et andet alternativt indbyrdes forhold er naturligvis to overlappende, men generelt parallelle plader. Andre indbyrdes forhold kan også forudses, som vist mere detaljeret ne-10 denfor.

Den øverste plade, der anvendes til en T-svejsning, er mere foretrukket fra 2-15 mm tykkelse, idet. den underliggende plade kan have en hvilken som helst tykkelse.

15 I GB patentskrift nr. 1.268.044 beskrives en lasersvejsningsfremgangsmåde, som skærer gennem et øvre materialelag, sædvanligvis som punktsvej sning. Den deri beskrevne fremgangsmåde anvender den da tilgængelige teknik, det vil sige 20 ikke særlig, kraftige lasere, og fremgangsmåden udføres på tynde plader. Den anerkender eri indbygget begrænsning i fremgangsmåden,· nemlig at strålingens energitæthed må holdes under en øvre værdi for at undgå fordampning i en sådan udstrækning, at der er utilstrækkeligt materiale tilbage 25 til dannelse af en svejsesøm. Den omhandler endvidere tynde materialer, der nævnes som eksempel 0,38 mm plade, i hvilke termiske ledningsproblemer og svejseegenskaber er forskellige fra dem, der kan opnås med tykkere materiale. Således er anvendelsen af fremgangsmåden ifølge dette kendte pa-30 tentskrift for tykkere materialekvaliteter kontraindiceret.

Det er nu fastslået, ved analogi med teknikken fra den ovennævnte sideløbende patentansøgning, at gasforsyning til svejsezonen er af afgørende betydning for tykkere pladema-35 teriale. Når denne form for penetration behøves, anvendes i henhold til den foreliggende opfindelse meget kraftige la-

DK 165283 B

4 sere ud til deres yderste ydeevne. En balance mellem svejsehastighed og kontrol af plasmaundvigelse ér væsentligt i en langt større udstrækning end hidtil, og dette opnås ved gasforsyningsmidler, ved hjælp af hvilke der kan opnås en 5 afvejning mellem hastigheden og dybden.

Opfindelsen belyses nærmere under henvisning til tegningen, hvor: 10 fig. 1 i perspektiv viser en teoretisk laser svejsning af to pladedele i en enkelt arbejdsgang, hvor der opereres fra oven, fig. 2 viser et snit gennem udstyr, der kan anvendes i 15 henhold til opfindelse, taget langs svejse linien, fig. 3 viser strukturen af en "gennemsvejsning" ifølge opfindelsen udført som en T-svejsning, 20 .....................................

fig. 4 viser strukturen af en lignende svejsefastgøring af ombukningen på en styrkegivende bjælke eller drager på undersiden af en plade, hvilken struktur indebærer mere end en sådan "gennemsvejs-25 ning", fig. 5 viser en hybridsvejsestruktur under anvendelse af svejsning i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse sammen med en svejsning af en 30 type som beskrevet i den ovennævnte sideløbende patentansøgning, fig. 6 viser en anden variant af svejsning ifølge den foreliggende opfindelse, og 35 fig. 7 viser en praktisk anvendelse for svejseteknikken

DK 165283 B

5 ifølge den foreliggende opfindelse.

Fig. 1 viser en plade 1, langs hvilken en laserstråle 4 rammer i den viste linie, idet laserstrålen er fokuseret 5 ved eller nær overfladen. Energien i strålen fordamper et "nøglehul" gennem materialet, hvor damptrykket i "nøglehullet" tilbageholder de smeltede vægge 6. I praksis forhindres dampen i det mindste delvis i at undslippe fra toppen af "nøglehullet" (hvor den kunne danne et laserblokerende 10 plasma) ved en kontrolleret stråle af helium (jævnfør fig.

2). Når strålen bevæges langs pladen, bevæges nøglehullet. Strålen smelter materialer foran åbningen, ligesom materialer størkner bagved åbningen. En dyb penetration kan sædvanligvis opnås i en passage.

15

Fig. 2 viser i diagramform et snit langs en svejselinie af væsentlige udstyrsindretninger, der for eksempel kan anvendes til at udøve fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

20 En laserstråle 7 rammer. pladen 2 med sit fokus ved eller nær topmetaloverfladen. En afsmeltelig tråd 12 kan fødes til eller nær fokus 10, enten for at styre svejsesømprofilet, for eksempel når elementer, der skal svejses, er anbragt lidt fra hinanden, eller under alle omstændighe-25 der for at ændre svejsesømssammensætningen. Idet strålen rammer pladens metal, produceres metaldamp, og der dannes et plasma. En gashætte 8 leverer en beskyttelsesgas, såsom heliumgas eller en heliumbaseret blanding gennem en basiskanal 14, en centralkanal 15 og en omgivende kanal 16 i en 30 gaskonfiguration for at begrænse plasmaet. I GB patentskrift nr. 1.591.793 beskrives en typisk sådan hætte mere detaljeret. Ved at strålen rammer dette plasma ved fokus 10 absorberes energi, der overføres til det omgivende metal og kontinuerligt danner smeltede vægge 19, der definerer et 35 "nøglehul" 20, der strækker sig ned gennem pladen 2 og ind i det underliggende element 3. De smeltede vægge størkner

DK 165283B

6 fremadskridende ved svejsesømmen 21, der forbinder de to elementer 2 og 3.

Fig. 3 viser, at svejsesømmaterialet 25 har en karakte-5 ristisk form, idet det er bredest ved toppen, let kugleformet i midten og tilspidset mod et punkt. Det omgives af en snæver zone af varmepåvirket metal 23. Svejsesømmen knytter pladen 24 fast til undersiden af pladen 22, selv om der kun er anvendt en enkelt passage fra oven.

10

For sådanne tilfælde, hvor styrken i en svejsesømkonfiguration som vist i fig. 3 kan være utilstrækkelig, er det muligt at operere som vist i fig. 4. I denne figur er en plade 27 knyttet til en underliggende stiver eller drager 28 15 ved tre parallelle svejsesømme 29 som vist. Hver svejsesøm strækker sig gennem toppladen 27 og ind i en kantombukning 31 på drageren 28. Svejsesømmene er samlet omgivet af arealer af varmepåvirket metal 30 som vist. Svejsesømmene 29 kan, om ønsket, fuldstændig penetrere ikke kun toppladen 20 27, men også kantombukningen 31 og være synlig på kantom- bukningens bagside.

Fig. 5 viser tre svejsesømme 33 ifølge den foreliggende opfindelse mellem en topplade 34 og en underliggende plade 25 35. Denne underliggende plade er på sin side svejset med en T-svejsning 36 til en plade 37 i ret vinkel under anvendelse af den i den ovenfor angivne sideløbende patentansøgning beskrevne laserteknik, der indebærer anvendelse af et strålestandsende materiale.

30

Fig. 6 er en anden svejsevariant ifølge opfindelsen. Ved denne fastgøres den øvre pladedel 22, som vist i fig. 3, til pladen 24, ikke blot ved en central svejsesøm 25, men også ved to sidesvejsesømme 25a, der hver især kan ses 35 langs de indre hjørner i Τ'et og under anvendelse af en svejsetråd til forbedring af svejsesømprofilet.

7

Fig. 7 viser en elementsamling, i en ofte mødt underenhed, der anvendes i skibsbygning. Den omfatter en plade 38, der selv er opbygget ved stuksvejsning af strimler, hvis svejsesømme er udeladt for overskuelighedens skyld. På pladen 5 er svejset parallelle afstivningselementer 39. Over afstivningselementerne er svejset dybe ribber 40, der hver er forsynet med åbninger til at optage afstivningselementerne og hver er udformet med en øverst udformet ombukning 40a. Nogle ribber krydser afstivningselementerne, og nogle løber 10 parallelt med dem.

En sådan enhed kan laves ved håndsvejsning eller ved den teknik og på den samlingslinie, der beskrives i den ovenfor beskrevne samtidige patentansøgning.

15

Enheden skal yderligere samles med en anden underenhed af plade 38 og afstivningselementer 39 som vist. Hidtil har dette indebåret vanskelige teknikker af nedefra og op svejsning på uhensigtsmæssige steder. Imidlertid kan gen-20 nemsvejsninger under anvendelse af den foreliggende opfindelses teknik laves gennem den øvre plade med en minimal håndtering og ulempe.

Claims (6)

1. Fremgangsmåde til svejsning af en jernholdig metalplade med en tykkelse på 2-25 mm til et underliggende fastgørel- 5 seselement, som er i kontakt med eller er tæt ved pladen, ved hvilken fremgangsmåde en 5-25 kW laserstråle fokuseres på pladen og bevæges langs denne fra den anden side af pladen i forhold til kontaktarealet, kendetegnet ved, at en fyldetråd føres til laserstrålens fokus, og at 10 en forsyning af gas rettes for i det mindste delvis at begrænse plasmaet, der dannes ved anslaget mod metallet og fyldetråden, hvorved den fokuserede laserstråle smelter metallet, både i pladen og det underliggende fastgørelseselement sammen med fyldetråden, så det smeltede metal under 15 et kan styres til at udfylde ethvert gab, der måtte opstå mellem pladen og det underliggende fastgørelseselement, og på hver side af svejselinien, hvorved der efter størkning dannes en svejsesøm med en ensartet struktur og et ensartet udseende. 20

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det indbyrdes forhold mellem pladen og det underliggende fastgørelseseelement er som en T-svejsning, i hvilken svejsesømmen passerer ind i den underliggende plades ende- 25 flade.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at der anvendes tre svejsesømlinier, hvor den centrale linie definerer en svejsesøm, der går ind i endefladen, og 30 linierne anbragt ved hver side af den centrale linie angiver svejsesømme, der kun delvis passerer ned i endefladen og er delvis synlige ved de indre hjørner.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, 35 at pladen svejses i en eller flere passager til en kantom- bukning dannet på det underliggende fastgørelseselement. DK 165283 B 9

5- Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at to overlappende plader svejses i en eller flere passager.

6. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1- 6, kendetegnet ved, at pladen er fra 2-15 mm i tykkelse.