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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei der Schweissung von Leichtmetall und Leichtmetall-Le- gierungen wird eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art mit lediglich einer stabfömigen Elektrode verwendet. Um eine hohe Schweissgeschwindigkeit bei tiefem Einbrand und schmalen Nähten zu erzielen, wird die stabförmige Elektrode als Kathode ge- schaltet und als Plasmagas Helium verwendet. Dabei entsteht ein sehr heisses Plasma, das dünne Oxidschichten verdampft. Al- lerdings ist die nicht bei allen Leichtmetall-Legierungen der Fall.
Um auch solche Legierungen schweissen zu können, wird meist statt mit Gleichstrom mit Wechselstrom geschweisst, oder es wird die Elektrode an den Plus-Pol der Spannungsquelle gelegt.
Damit wird zwar eine ständige Beseitigung der Oxidschichten sichergestellt und eine lunkerfreie Schweissverbindung ermöglicht, da die Oxidhaut ständig aufgerissen wird, doch steht diesem Vorteil der Nachteil einer um ca. 2/3 verminderten Schweissgeschwindigleit, verglichen mit einer Gleich- strom/Helium-Schweissung und eine deutliche Zunahme der Breite der Schweissnähte mit vergrösserter Wärmeeinflusszone gegenüber.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die eine hohe Schweissgeschwindigkeit auch bei schwierigen Le- gierungen ermöglicht und mit der auch sichergestellt werden kann, dass entstehende Oxidschichten entfernt werden.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des An- spruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist es möglich die beiden stabförmigen Elektroden mit unterschiedlichen Polen der Spannungsquellen zu verbinden. Dadurch können mit Plasmaimpul- sen, die mit einer mit dem Plus-Pol einer Spannungsquelle ver- bundenen Elektrode erzeugt werden, die Oxidschichten aufgeris- sen und mit den nachfolgenden Plasmaimpulsen, die mit der mit dem Minuspol einer Spannungsquelle verbundenen und daher als
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Kathode geschalteten Elektrode erzeugt werden, das Grundmate- rial sauber und mit grosser Einbrandtiefe verschweisst werden, wobei sich sehr schmale und glatte Nähte ergeben. Dabei kann mit einer sehr hohen Schweissgeschwindigleit gearbeitet werden.
Durch die Verriegelung der Schalteinrichtungen, die jeweils nur Spannungsimpulse von ca. 1 bis 5 Millisekunden zulassen, ist sichergestellt, dass nur jeweils eine Elektrode beauf- schlagt werden kann.
Als Gegenelektrode kann zweckmässigerweise das zu bearbei- tende Werkstück geschaltet werden, doch ist es auch möglich, die Düse, bzw. den jeweiligen Düsenkörper aus einem elektrisch leitenden Material herzustellen und als Gegenelektrode zu schalten.
Bei leichter schweissbaren Legierungen können auch beide Elektroden als Kathoden geschaltet werden. In diesem Fall er- gibt sich der Vorteil, dass die erforderliche Schweissenergie auf beide Elektroden aufgeteilt werden kann und diese daher dünner ausgebildet werden können. Dies ermöglicht die Herstel- lung sehr schmaler Aufnahmen von z. B. nur 9mm Breite. Mit solchen Einrichtungen kann daher auch in nur schwer zugäng- lichen Eckbereichen von Werkstücken geschweisst werden, was die konstruktive Auslegung solcher Teile wesentlich erleichtert.
Aufgrund der beiden getrennten Spannungsquellen, können diese auch im Hinblick auf die Impulslänge und Impulsleistung getrennt gesteuert werden, wodurch eine sehr weitgehende An- passung an die jeweiligen Erfordernisse möglich ist.
Die Zündung eines jeden Plasmabogens kann mittels eines Hochfrequenzimpulses erfolgen, wenn die Höhe der Spannung der einzelnen Spannungsimpulse die jeweilige Durchschlagsspannung der Strecke zwischen der Elektrode und ihrer jeweiligen Gegen- elektrode nicht übersteigt. Die Zündung kann aber auch durch entsprechend hohe, die jeweilige Durchschlagsspannung über- steigende Spannungsimpulse selbst ausgelöst werden.
Sehr günstige Verhältnisse für das Schweissen sehr schwie- riger Legierungen ergeben sich durch die Merkmale des An- spruches 3, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat auch die Merkmale des Anspruches 2 vorzusehen, wobei die als Ka- thode geschaltete Elektrode vorzugsweise im wesentlichen senk- recht zum Werkstück steht.
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Durch die Merkmale des Anspruches 4 kann der Verschleiss der mit dem Plus-Pol verbundenen Elektrode, die höher bean- sprucht wird, relativ gering gehalten werden.
Die Merkmale des Anspruches 5 ermöglichen einen einfachen Aufbau der Aufnahme, wobei aber sichergestellt ist, dass die höher belastete Elektrode entsprechend gut gekühlt wird.
Durch Massnahmen gemäss dem Anspruch 6 kann eine Ionisierung des aus der Düse ausströmenden Plasmagases im Bereich zwischen der Elektrode und der Düse aufgrund eines HF-Überschlages er- reicht und damit die Zündung eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und dem Werkstück aufgrund der angelegten Gleich- spannung erreicht werden. Dabei ergibt sich auch eine sehr weitgehende Schonung des Plasmabrenners, da dieser nicht von dem sonst üblichen Pilotlichtbogen belastet ist.
Durch die Ionisierung aufgrund des HF-Überschlages, der die Düse thermisch nur sehr wenig beansprucht, ist es auch bei Verwendung von Helium als Plasmagas möglich, selbst über grössere Abstände zwischen der Elektrode und dem Werkstück von z. B. 10mm problemlos zu zünden.
Die Verwendung einer aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellten Düse und deren Verbindung über einen hochohmigen elektrischen Widerstand mit dem mit dem Werkstück verbundenen Pol der Spannungsquelle ist auch bei erfindungsge- mässen Einrichtungen von Vorteil, bei denen der Pluspol der Spannungsquelle mit der die Düse durchsetzenden Elektrode ver- bunden ist.
Durch die Merkmale des Anspruches 8 kann eine solche Ein- richtung sehr universell eingesetzt werden.
Die Merkmale des Anspruches 9 und 11 bewirken eine Ein- schnürung des Plasmas, bzw. vermeiden eine Aufweitung des- selben aufgrund der Reibung des Plasmas an der Luft, das mit hoher Geschwindigkeit austritt, sodass eine sehr hohe Konzent- ration der Energie erreicht wird.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläu- tert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Einrichtung nach der
Fig. 1,
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Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Einrichtung nach der Fig. 3,
Fig. 5 und 6 eine Einrichtung nach den Fig. 3 und 4 mit Versorgungsteil, teilweise geschnitten, in Ansicht und Drauf- sicht,
Fig. 7 ein Detail des Düsenbereichs,
Fig. 8 schematisch die elektrische Versorgung der Einrich- tung,
Fig. 9 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Spannungs- beaufschlagung der Elektroden einer erfindungsgemässen Einrich- tung und
Fig. 10 ein Variante der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 im Schnitt.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist eine Aufnahme 1 vorgesehen, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. In dieser Aufnahme 1 sind zwei Hal- ter 2, an deren unteren Enden Elektroden 3,4 aus einem tempe- raturbeständigen Material, wie z. B. Wolfram, eingesetzt.
Die Halter 2 sind aus einem elektrisch gut leitenden Mate- rial hergestellt und sind mit einer zentralen Bohrung 5 ver- sehen, die im oberen und unteren Bereich über radiale Bohrun- gen 6 mit Kammern 7,8 verbunden sind, von denen die Kammern 7 mit je einem Gaskanal 109,109', über die Plasmagas getrennt zugeführt wird, verbunden sind, und die Kammern 8 mit je einer Ausströmdüse 9 9' verbunden sind.
Diese Düsen 9, 9' weisen kegelige Innenwände auf, wobei die Innenwand der Düse 9 im wesentlichen parallel zum kegeli- gen Endbereich der Elektrode 3 verläuft, wobei das freie Ende der Elektrode 3 abgeflacht sein kann. Die Elektrode 4 ist im Gegensatz zur Elektrode 3 im wesentlichen stumpf ausgebildet.
Weiters ist in der Aufnahme 1 ein Kühlkanal 10 vorgesehen, der von einem Zulauf 11 zu einem vom Halter 2 der Elektrode 4 durchsetzten Ringraum 12 und von diesem, aufgeteilt in zwei Zweigkanäle (Fig. 2) zu einem weiteren vom Halter 2 der Elekt- rode 3 durchsetzten Ringraum 13 und von diesem zu einem Aus- lauf 14 führt.
Der elektrische Anschluss der beiden Elektroden 3,4, bzw. deren Halter 2 kann über Schraubkappen 15, oder falls die Gas-
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kanäle 109,109' elektrisch leitende Wände aufweisen, über diese erfolgen. Im letzteren Fall kann der Anschluss über Anschlussnippel, über die Gas zugeführt wird, erfolgen.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist zwischen den Düsen 9, 9' eine rohrförmige Führung 16 vorgesehen, die zur Führung eines als Zusatzmaterial dienenden Drahtes vorge- sehen ist. Dabei ist die Führung 16 ausgekröpft.
Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, kann die Aufnahme 1 sehr schmal ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 und 2 verläuft die Elektrode 3 in der Gebrauchslage der Aufnahme 1 im wesentlichen vertikal und die Elektrode 4 schliesst mit dieser einen spitzen Winkel ein der in der Regel 20 bis 70 betragen kann.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4, sind zwei gleiche Elektroden 3 vorgesehen, die beide einen Winkel mit der Vertikalen einschliessen.
Wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist, weist die Aufnahme 1 flanschartige Fortsätze 16 auf, die von Schrauben 17 durch- setzt sind, mit denen die Aufnahme 1 an einem Anschlusskopf 18 befestigt werden kann, wobei die Schrauben 17 in Gewindeboh- rungen 19 des Anschlusskopfes 18 eingreifen.
In diesem Anschlusskopf 18 sind federbelastete Anschlussnip- pel 20 axial verschiebbar gehalten, an denen eine Wasserzulei- tung 21 und eine Wasserableitung 22 zur Zu- und Abfuhr von Kühlwasser angeschlossen sind, wobei diese federbelasteten Anschlussnippel 20 bei angeschlossener Aufnahme 1 in den Zu- bzw. Auslauf 11,14 derselben eingreifen. Weiters sind in diesem Anschlusskopf 18 feststehende Anschlussnippel 23 vorge- sehen, an denen Plasmagas, z. B. Helium, führende Gasleitungen 24 angeschlossen sind. Die feststehenden Anschlussnippel 23 greifen bei angeschlossener Aufnahme 1 in die Einlässe 25 der Gaskanäle 109,109' der Aufnahme 1 ein. Dabei sind, wie auch beim Zu- und Auslauf 11,14 in den Einlässen 25 O-Ringe zur Abdichtung eingesetzt.
Weiters ist in dem Anschlusskopf 18 ein aussermittig ange- ordneter Stift 26 gehalten, der in eine entsprechende Bohrung 27 einer Aufnahme 1 eingreift. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Anschluss einer Aufnahme 1 an den Anschlusskopf nur in einer bestimmten Lage, in der eben eine richtige Durchströmung der Gas- und Kühlkanäle gegebenen ist, möglich ist.
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An den Anschlusskopf 18 können mit verschiedenen Elektroden 3,4 bestückte Aufnahmen 1 angeschlossen werden, wobei ein solcher Wechsel sehr einfach durchgeführt werden kann.
Die Fig. 7 zeigt ein Detail des Düsenkörpers 9 für eine Elektrode 3, die ein kegeliges, bzw. im wesentlichen kegel- stumpfförmiges Ende aufweist. Dabei verläuft die Innenwand 27 des Düsenkörpers 9 im wesentlichen parallel zum kegeligen Ende der Elektrode 3. Durch diese Massnahme ist sichergestellt, dass das Plasmagas schräg gegen die Achse der Düse 9 gerichtet austritt und daher der Tendenz des austretenden Plasmas sich mit grösser werdender Entfernung von der Mündung der Düse 9 auf- grund der Reibung an der Umgebungsluft aufzuweiten entgegengewirkt wird und sich daher auf einem zu bearbeitenden Werkstück in erwünschter Weise ein nur kleiner Brennfleck ergibt.
Dabei sind in dem Düsenkörper 9 dessen kegelige Düsenboh- rung 28 umgebende Kaltgaskanäle 29 vorgesehen, die gleichmässig verteilt um die Düsenbohrung 28 konzentrisch angeordnet sind.
Dabei bilden die Achsen dieser Kaltgaskanäle 29, von denen meist eine ungerade Zahl, z.B. 3,5 oder 7 vorgesehen sind, Erzeugende einer Kegelfläche, deren Achse konzentrisch zur Achse der Düsenbohrung 28 liegt. Diese Kaltgaskanäle sind zur Kammer 8 hin offen und münden an der Stirnfläche des Düsenkör- pers 9.
Das diese Kaltgaskanäle durchströmende Plasmagas bewirkt einerseits eine Kühlung des Düsenkörpers 9 und bewirkt eine weitere Einschnürung des aus der Düse 9 austretenden Plasmas und damit eine Verkleinerung des Brennflecks und somit eine Erhöhung der Energiekonzentration in diesem. Die Versorgung der Kammer 8 mit Plasmagas erfolgt über einen Gaskanal 109, 109', die oberen radialen Bohrungen 6 des Halters 2, dessen zentrale Bohrung 5 und die unteren radialen Bohrungen 6.
Die Fig. 8 zeigt schematisch den Anschluss der erfindungs- gemässen Einrichtung. Dabei sind die Elektroden 3,4 mit je einem Pol je einer Spannungsquelle 31,32 angeschlossen, deren jeweils zweiter Pol über je eine Schalteinrichtung 33,34 mit einem Werkstück 30 verbunden ist.
Dabei sind die beiden Schalteinrichtungen 33,34 gegenein- ander verriegelt, sodass jeweils nur eine Schalteinrichtung 33 oder 34 durchgeschaltet sein kann. Dabei sind für die beiden Schalteinrichtungen 33,34 nur kurze Durchschaltzeiten vorge-
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sehen,¯ sodass die Elektroden 3,4 nur impulsweise beaufschlagt werden.
Für viele Anwendungen ist die in Schweissrichtung hinten liegende Elektrode 3 als Kathode geschaltet und mit dem Minus- Pol der Spannungsquelle 32 verbunden.
Typische Werte sind dabei z.B. eine Strombeaufschlagung von ca. 170A für eine Zeit von jeweils ca. 15ms und eine Pause von ca. 3ms. Während dieser Zeit schaltet die Schalteinrich- tung 33 durch und die mit dem Plus-Pol der Stromquelle 31 ver- bindende Elektrode 4 wird mit ca: 250A für ca. 3ms beauf- schlagt.
Bei einer solchen Betriebsweise können auch schwierig zu schweissende Legierungen sehr gut und rasch geschweisst werden, da durch die Beaufschlagung der Elektrode 4 die dadurch ent- stehenden Plasmaimpulse allfällige Oxidhäute sicher aufreissen und mit den nachfolgenden, durch die Beaufschlagung der Elekt- rode 3 bewirkten Plasmaimpulse das Grundmaterial sehr gut ver- schweisst werden kann.
Für bestimmte Anwendungen ist es auch möglich in die Auf- nahme 1 zwei Elektroden 3 einzusetzen und beide mit dem Minus- Pol je einer Gleichspannungsquelle 32 zu verbinden und diese im wesentlichen abwechselnd zu beaufschlagen, wobei jedoch auch Überlappungszeiten vorgesehen sein können. Da auf diese Weise die Belastung einer jeden Elektrode 3 entsprechend ge- ring ist, können Elektroden 3 mit kleinem Durchmesser verwen- det werden, wodurch die Aufnahme sehr schmal gebaut werden kann.
Die Ausführungsform nach der Fig. 10 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 und 2 dadurch, dass in den über die Gaskanäle 109, 109' mit den Gasanschlüssen in Verbindung stehenden Kammern 8 schraubenlinienförmige Rippen 35 angeordnet sind, zwischen denen schraubenlinienförmig verlaufende Kanäle verbleiben, über die das Plasmagas zu den
Düsen 9,9' strömt.
Dadurch wird diesem ein Drall aufgezwungen, der zu einer
Stabilisierung des aus den Düsen 9,9' mit hoher Geschwindig- keit austretenden Plasmas führt, wodurch eine Aufweitung des
Plasmas aufgrund der Reibung an der im wesentlichen stehenden
Luft weitgehend vermieden wird und sich auf dem zu bearbeiten-
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den Werkstück 30 ein sehr kleiner Brennfleck mit hoher ener- giedichte ergibt.