AT504721A1

AT504721A1 - Verfahren zum plasma-punktschweissen von oberflächenvergüteten werkstücken und plasma-brenner

Info

Publication number: AT504721A1
Application number: AT0005907A
Authority: AT
Original assignee: Sbi Produktion Techn Anlagen G
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-15
Also published as: US20100084381A1; AT504721B1; DE112008000163A5; WO2008083420A1

Description

Verfahren zum Plasma-Punktschweißen von oberflächenvergüteten Werkstücken und

Plasma-Brenner

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Punktschweißen von oberflächenvergüteten Werkstücken unter Verwendung eines Plasma-Brenners, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung betrifft weiters einen Plasma-Brenner zum Schweißen und Schneiden von Werkstücken, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13. Während das Plasma-Punktschweißen von imbeschichteten Blechen im Überlappstoß technologisch schon beherrschbar ist und zufriedenstellende Schweißpunkte mit ausreichenden Festigkeiten liefert, siehe z.B. EP 1 168 896 A2, war die erforderliche Prozessstabilität bei oberflächenvergüteten bzw. beschichteten, insbesondere verzinkten, Blechen bisher nicht gegeben. Ursache hierfür ist das während des Durchschmelzens der Bleche auftretende explosionsartige Verdampfen der Zinkschichten und der damit verbundene Auswurf von Schmelze, der auch in das Brennerinnere gelangt und daher den Brenner zerstört, wie in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Überlappstoß aus zwei Blechen 1, 2, die an ihren beiden Oberflächen jeweils mit Zinkschichten la, 2a versehen sind. Im Brenner 3 wird ein Plasma-Lichtbogen 4 von hoher Temperatur erzeugt, der das Blech 1 innerhalb kurzer Zeit zum Durchschmelzen bringt, wobei die Zinkschichten la verdampfen. Der Zinkdampf 5 tritt durch das im ersten Blech entstandene Durchgangsloch 9 aus, wobei er im Durchgangsloch 9 befindliche Schmelze 6 mit sich reißt, u.a. in das Innere des Brenners 3. Zusätzlich zu dem dadurch entstandenen fehlerbehafteten Schweißpunkt kommt es fast immer zum Unbrauchbarwerden des Plasmadüse 7 und der Wolframelektrode 8 des Brenners 3 durch in den Brenner 3 geschleuderte Spritzer von Schmelze 6, die eine aufwendige Reinigung und Instandsetzung des Brenners erforderlich machen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Plasma-Punktschweißen von oberflächenvergüteten Werkstücken unter Verwendung eines Plasma-Brenners sowie einen Plasma-Brenner bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden und das zuverlässige, feste und optisch einwandfreie Plasma-Punktschweiß-Verbinden von oberflächenbeschichteten Werkstücken, wie verzinkten Blechen, ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Plasma-Punktschweißverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Plasma-Brenner mit den kennzeichnenden • ·· • · · · • · · · ·· · ·· • · · · • · · · • · · ·

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Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Plasma-Punktschweißen von oberflächenvergüteten Werkstücken unter Verwendung eines Plasma-Brenners umfasst das Zufuhren eines plasmaerzeugenden Gases zu dem Plasma-Brenner, das Verbinden eines ersten Pols einer Stromquelle mit einer Elektrode des Plasma-Brenners, das Verbinden eines zweiten Pols der Stromquelle mit einem zu schweißenden Werkstück, und das Aufbauen zumindest eines Plasma-Lichtbogens von der Elektrode des Brenners in Richtung des Werkstücks durch Beaufschlagen einer Anoden-Kathoden-Strecke zwischen der Elektrode und dem Werkstück mit elektrischem Strom aus der Stromquelle. Der elektrische Strom wird in einer Phase I in einem Vorprozessierungsstrombereich gehalten. In einer anschließenden Phase II wird der elektrische Strom auf einem Hauptprozessierungsstromwert oder -bereich gehalten, dessen Durchschnittswert höher ist als der durchschnittliche Vorprozessierungsstrombereich. Optional wird in einer anschließenden Phase III der elektrische Strom reduziert.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf einer Technologie, die unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zwischen dem Schmelzpunkt des Werkstücks, z.B. eines Blechwerkstoffs (ca. 1450 °C) und der Verdampfungstemperatur der Oberflächenvergütung des Werkstücks, z.B. eine Zinkbeschichtung (906 °C), ein Verdampfen der

Oberflächenvergütungsschichten (Zinkschichten) in einer Fügezone zwischen Werkstücken (Blechen) ermöglicht, ohne dass das Werkstück (Blech) selbst schon in den geschmolzenen Zustand übergegangen ist. Die dabei ablaufenden Prozesse sind in einer Mehrphasen-Technologie, insbesondere einer Dreiphasen-Technologie implementiert.

Dabei wird in einer Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahrens in der Phase I der elektrische Strom nach dem Einschalten konstant gehalten, wobei der Strom auf einem relativ niedrigen Wert liegt, um durch derart gesteuertes Erwärmen des obersten eines Stapels von Werkstücken durch den Plasma-Lichtbogen die an der Unterseite des Werkstücks befindliche Oberflächenvergütung in der Fügezone infolge Wärmeleitung verdampfen zu lassen, wobei während der Phase I das Blech noch nicht durchgeschmolzen wird. In anderen Worten, es wird die Differenz zwischen der Schmelztemperatur des Werkstücks und der Verdampfungstemperatur der Oberflächenvergütung ausgenutzt.

Derselbe Effekt kann auch durch eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahrens erzielt werden, indem in der Phase I der elektrische Strom ·· ·· ·· ♦ ·· · • ·· · · t t · · · • ·· ·· · · · ··· • · * t · · ···· · ···· ······ · · · ·· ·· ·· · ··♦· · 3 rampenförmig (Up-slope) oder stufenweise erhöht wird, bis der Stromwert am Übergang zur Phase Π einen Wert des Hauptprozessierungsstromwerts erreicht. Es ist dabei erwünscht, dass das Werkstück nicht zu schnell erhitzt wird. Um dies zu gewährleisten ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Steigung der rampenförmigen Stromerhöhung gemäß der Ungleichung 0 < dl/dt < 1000 in [A/s] festgelegt.

In alternativen Ausfuhrungsformen weisen die Stromanstiege gepulste, schwellende oder parabelförmige Verläufe auf.

Um hochfeste Schweißverbindungen zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Phase I zumindest bis zum Verdampfen von Oberflächenvergütungsschichten der Werkstücke in einer Fügezone zwischen den beiden Werkstücken beibehalten wird.

Aus demselben Grund sollte die Phase II (Hauptprozessierung) zumindest bis zur Ausbildung eines Stichlochs in dem dem Plasma-Brenner zugewandten Werkstück durch vollständiges Durchschmelzen dieses Werkstücks beibehalten werden.

Damit sich das in der Hauptprozessierungsphase Π durch die zu verbindenden Werkstücke hindurch gebildete Stichloch wieder schließt, ist es günstig, wenn in der Phase III der elektrische Strom rampenförmig (Down-slope) oder stufenweise reduziert wird. Zum Erzielen einer möglichst hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit ist es bevorzugt, wenn dabei das Gefälle (-dl/dt) der rampenförmigen Stromverringerung größer als 100 ist. Für ein kontrolliertes Verschließen des Stichlochs durch die erstarrende Schmelze ist es günstig, wenn die Phase III zumindest bis zur Ausbildung eines durch alle zusammenzufugenden Werkstücke hindurchgehenden Stichlochs durch vollständiges Durchschmelzen aller Werkstücke und nachfolgendes Wiederverschließen des Stichlochs durch Erstarren der im Stichloch befindlichen Schmelze aufgrund der reduzierten Stromzufuhr beibehalten wird.

Damit auf der Seite des Plasma-Brenners aus dem Stichloch austretende Rauche und Gase während des Schweißvorgangs nicht Schmelze mit sich in den Brenner reißen, ist in einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahrens vorgesehen, diese Rauche und Gase im Abstand von der Oberfläche des Werkstücks seitlich aus dem Plasma-Brenner zu lenken. ·· ·· ·· · t· · • · · · · t · · · ♦ • · · · · ··· · · · « · · · « * I··· · ···· ······ · · · ·· ·· ♦ · · ···· · 4

Um exakt feststellen zu können, zu welchem Zeitpunkt sich das Stichloch durch alle zu verbindenden Werkstücke hindurch ausgebildet hat, ist vorgesehen, dass am Brennerkopf, insbesondere im inneren Gasströmungskanal des Plasma-Brenners eine Gasdruckmessung erfolgt, wobei aus einem Druckabfall in der Schweißkammer die vollständige Ausbildung des Stichlochs durch alle Werkstücke detektiert wird und daraus das Ende der Phase Π festgelegt werden kann.

Die Erfindung stellt auch einen Plasma-Brenner bereit, der sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. Dieser Plasma-Brenner zum Schweißen und Schneiden von Werkstücken ist mit einer Elektrode zum Verbinden mit einem ersten Pol einer Stromquelle, einer die Elektrode im Abstand umgebenden, elektrisch leitfähigen Plasmadüse, wobei zwischen der Elektrode und der Plasmadüse ein innerer Strömungskanal für plasmaerzeugendes Gas ausgebildet ist, und einem die Plasmadüse im Abstand umgebenden Stützring zum Aufsetzen auf die Oberfläche eines Werkstücks versehen, wobei der Stützring um seinen Umfang verteilte, von einem Aufsatzbereich beabstandete Durchgangsöffnungen aufweist. Durch diese Maßnahme können Rauche und Gase seitlich, nämlich ca. in einem 90° Winkel oder mehr zur Längsachse des Brenners aus dem Brenner entweichen, wodurch verhindert wird, dass die Werkstückoberfläche beeinträchtigt wird, oder dass Schmelzepartikel auf die empfindliche Elektrode des Brenners geschleudert werden.

Um die Elektrode noch besser durch Verschmutzung mit Schmelzeteilchen zu schützen und einen optimalen Strömungspfad für die entweichenden Rauche und Gase von verdampften Oberflächenbeschichtungen der der Schweißbearbeitung unterzogenen Werkstücke zu schaffen, ist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasma-Brenners vorgesehen, dass der Stützring axial über das vordere Ende der Plasmadüse hinausragt und sich Durchgangslöcher im Wandbereich des Stützrings zwischen dem vorderen Ende der Plasmadüse und dem Aufsetzbereich des Stützrings erstrecken. Die Durchgangslöcher können vorteilhaft kreisförmig, elliptisch oder schlitzförmig ausgebildet sein, wodurch der Brenner einfach herstellbar ist und die Gase und Rauche leicht zur Seite entweichen können.

Zur Optimierung des Strömungspfads des plasmaerzeugenden Gases durch den Brenner und insbesondere zur Gasfokussierung ist in einer Fortbildung der Erfindung eine Gasführungshülse zwischen der Plasmadüse und dem Stützring angeordnet, die axial über das vordere Ende der Plasmadüse hinausragt, aber kürzer ist als der Stützring, wobei die Gasführungshülse von der Plasmadüse und dem Stützring beabstandet ist und dadurch einen ·· ♦ ·· · • · · · · · · • · •· ··· «·· • · · · « · #··· · ···· ······ t · « ·· ·· ·· · ···♦ ♦ 5 äußeren Strömungkanal für das plasmaerzeugende Gas zwischen der Plasmadüse und der Gasführungshülse bildet.

Damit die Gasführungshülse nicht das seitliche Entweichen der Rauche und Gase der verdampften Oberflächenvergütung des Werkstücks aus dem Brenner verhindert, ist weiters vorgesehen, dass sich Durchgangslöcher im Wandbereich des Stützrings zwischen dem vorderen Ende der Gasführungshülse und dem vorderen Ende des Stützrings erstrecken.

Weiters ist zwischen der Gasführungshülse und dem Stützring ein elektrischer Isolator vorgesehen.

Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des plasmaerzeugenden Gases im äußeren Strömungskanal kann an der Innenfläche der Gasführungshülse ein Steg zur Verminderung der Querschnittsfläche des äußeren Strömungskanals ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Plasma-Brenner im Wesentlichen aus Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet.

Zur verbesserten Steuerung des Plasma-Brenners ist weiters ein Drucksensor in der Schweißkammer des Plasma-Brenners vorgesehen.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in nicht einschränkender Weise näher erläutert.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 ein Schnittbild des Entstehens von fehlerhaften Schweißverbindungen beim Plasma-Punktschweißen von verzinkten Blechen im Überlappstoß gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2A ein Schnittbild zur Erläuterung einer ersten Phase des erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahrens;

Fig. 2B ein Schnittbild zur Erläuterung einer zweiten Phase des erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahrens;

Fig. 2C ein Schnittbild zur Erläuterung einer dritten Phase des erfmdungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahrens;

Fig. 3 ein Diagramm des Verlaufs des Plasmastroms über der Zeit in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahrens;

Fig. 4 ein Diagramm des Verlaufs des Plasmastroms über der Zeit in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahrens; und ·· ·· • · · « · • · · · · • · · · · • · · · · ·· #· • ·· · • · ♦ · • · · · ψ ···· · ···· • · · • ···· f 6

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Plasma-Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung.

Zunächst wird anhand der Figuren 2A bis 2C das erfindungsgemäße Verfahren zum Plasma-Punktschweißen eines Stapels von oberflächenvergüteten Werkstücken in Form von verzinkten Blechen 1, 2 unter Verwendung eines vorbekannten Plasma-Brenners 3, der oben anhand der Fig. 1 bereits beschrieben wurde, beispielhaft erläutert.

Dem Plasma-Brenner 3 wird ein plasmaerzeugendes Gas 10 bzw. Schutzgas, z.B. Argon, zugefuhrt. Eine Elektrode 8 des Plasma-Brenners 3 ist mit einem ersten Pol (-) einer Stromquelle 11 verbunden, die als gesteuerte Gleichstromquelle ausgebildet ist. Ein zweiter Pol (+) der Stromquelle 11 ist mit dem oberen Blech 1 verbunden. Ein Plasma-Lichtbogen 4 von der Elektrode 8 des Brenners in Richtung des Blechs 1 wird durch Beaufschlagen einer Anoden-Kathoden- Strecke zwischen der Elektrode 8 und dem oberen Blech 1 mit elektrischem Strom I(t) aus der Stromquelle 11 aufgebaut, wobei der Strom I(t) gemäß einem Dreiphasen-Prozess gesteuert wird, wie aus den Strom-Zeit-Diagrammen der Figuren 3 und 4 ersichtlich ist. In einer Phase I, die eine Vorprozessierungs- bzw. Vorwärm- und Verdampfungsphase ist, wird der elektrische Strom zunächst in einem

Vorprozessierungsstrombereich Iv gehalten. Dabei ist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein rampenförmig ansteigender Strom verlauf (Up-slope) vorgesehen, der von einem Einschaltwert Ie stetig bis zu einem

Hauptprozessierungsstromwert Ih ansteigt, der den Beginn der Phase II markiert, wie in Fig. 3 zu sehen. Alternativ dazu kann, wie in Fig. 4 dargestellt, der Vorprozessierungsstrom nach dem Einschalten zunächst auf einem konstanten, niedrigen Wert Is gehalten werden und erst gegen Ende der Phase I rampenförmig auf den Hauptprozessierungsstromwert Ih bereich angehoben werden, wobei hier ein steiler Anstieg des Stroms I(t) gewählt wurde. Alternativ dazu ist auch ein gestuftes Hochfahren des Stroms I (t) möglich, wobei innerhalb der Phase I je nach Anwendung beliebige Kombinationen aus (abschnittsweise) konstantem Strom und rampenförmig oder stufenförmig ansteigendem Stromverlauf wählbar sind.

Die Wirkung des Verlaufs des Stroms I(t) in der Phase I bzw. des gemäß dem Stromverlauf gesteuerten Plasma-Lichtbogens 4 ist in Fig. 2A dargestellt. Die durch den Plasma-Lichtbogen 4 gesteuerte Erwärmung des Oberblechs 1 pflanzt sich durch Wärmeleitung an die Unterseite des Blechs 1 fort und fuhrt dazu, dass in der Fügezone 12 zwischen den Blechen 1 und 2 die untere Zinkschicht la des oberen Blechs 1 und die obere Zinkschicht 2a des unteren Blechs 2 verdampfen, wobei zu diesem Zeitpunkt das obere Blech 1 und folglich auch das untere Blech 2 noch nicht durchgeschmolzen sind. Es wird dabei die Differenz zwischen der Schmelztemperatur des Materials des Bleches 1 und der niedrigeren ·· ·· *· f ♦· ♦ • t t · · · · · · ♦ • ·· · ♦ ··· · · * • · · t · · ···· · ·*·· ······ · · · ·· #· ·· · ···· · 7

Verdampfungstemperatur der Zinkbeschichtungen la, 2a ausgenutzt. Da beide Bleche 1, 2 in der Fügezone 12 noch nicht geschmolzen sind, wird der Zinkdampf 5 in den real immer vorhandenen Spalt zwischen den Blechen 1, 2 kreisförmig verdrängt. Im Bereich der Fügezone 12 entsteht ein weitgehend zinkfreier Bereich.

Wenn dieser Zustand erreicht ist, wird in einer anschließenden Phase II, der so genannten Durchschweiß-Phase, der elektrische Strom I(t) auf einem Hauptprozessierungsstromwert Ih bzw. in einem Hauptprozessierungsstrombereich gehalten, dessen Durchschnittswert höher ist als der Durchschnittwert des (rampenförmig und/oder stufenweise ansteigenden) Stroms in der Phase I. Wie in den Diagrammen der Figuren 3 und 4 zu sehen, wurde bei diesen Ausführungsbeispielen ein konstanter Hauptprozessierungsstromwert Ih eingestellt. Infolge der weiteren Energiezufuhr durch den Plasma-Lichtbogen 4, der nun bei dem hohen Hauptprozessierungsstromwert IH betrieben wird, schmilzt das obere Blech 1 vollständig durch, das heißt, es bildet sich in dem oberen Blech 1 ein Durchgangsloch 9, siehe Fig. 2B. In der Fügezone 12 unmittelbar im Bereich des Durchgangslochs 9 zunächst noch vorhandene Zinkreste werden größtenteils in der Schmelze 6 des Blechmaterials gelöst bzw. durch die kinetische Energie des Plasma-Lichtbogens 4 in Richtung Schweißpunktwurzel 13 aus der Fügezone 12 gedrückt. Der Druck des Plasma-Lichtbogens 4 auf die Schmelze 6 bewirkt ein Durchdrücken der Schmelze 6 auf das untere Blech 2. Der Aufschmelz- und Eindringprozess in das untere Blech 2 setzt sich ungestört von Zinkverdampfung fort, bis sich auch im unteren Blech 2 ein Durchgangsloch 9 ausbildet, siehe Fig. 2C.

Zu diesem Zeitpunkt ist die Phase II abgeschlossen. Der Plasma-Lichtbogen 4 durchdringt beide Bleche 1, 2 vollständig und es ist ein so genanntes Stichloch entstanden, das sind Durchgangslöcher 9 durch beide Bleche 1, 2 hindurch. In der nun anschließenden Phase ΙΠ, die auch als Nahtbildungs-Phase bezeichnet wird, wird der elektrische Strom I(t) und damit die Energie des Plasma-Lichtbogens 4 reduziert, wobei, wie in den Diagrammen der Figuren 3 und 4 zu sehen, die Stromreduzierung rampenförmig (Down-Slope) mit einem starken Gefälle von deutlich über 1 vor sich geht. Aufgrund des Zurückfahrens der Leistung des Plasma-Lichtbogens 4 sowie der Oberflächenspannung der Schmelze 6 schließt sich das Stichloch wieder, indem die darin befindliche Schmelze 6 erstarrt, wobei sich an der Unterseite des unteren Blechs 2 eine charakteristische Nahtwurzel 14 ausbildet. Die Punktschweißverbindung ist entstanden. Ein Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass ein Zugang für den Plasma-Brenner nur von einer Seite des Blechstapels 1, 2 erforderlich ist. ·· ·· ·· · ·· · • ·· ·· ·β · ♦· • · · · · * · · · · · • · · · · · ·♦·· · ···♦ ···♦·· · · · ·· ·· ·· · Μ·· · 8

Wie erläutert, wird beim erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahren mit Dreiphasen-Technologie das erforderliche gesteuerte Erwärmen des oberen Blechs in Phase I durch den Up-Slope des Stromes I(t) erreicht. Entsprechend den zu verbindenden Blechdicken und den unterschiedlichen wärmephysikalischen Eigenschaften der zu schweißenden Werkstoffe sind angepasste Verläufe beim Up-Slope des Stromes in Phase I notwendig (Figuren 3 und 4).

Die für einen reproduzierbaren Schweißprozess erforderliche immer gleich bleibende Länge des Plasma- Lichtbogens 4 wird üblicherweise durch eine Abstandsdüse 15, die gleichzeitig auch die Schutzgaszufuhr übernimmt, gewährleistet (siehe Fig. 1). Es ist bekannt, diese Abstandsdüse 15 unmittelbar im Aufsetzbereich 15a mit Ausnehmungen zu versehen, die ein Abströmen der Schweißgase aus dem Düsenraum ermöglichen. Das ist notwendig, weil sonst der innerhalb der Düse entstehende Überdruck die kinetische Energie des Plasma-Lichtbogens 4 ungünstig beeinflusst und die Einschweißtiefe reduziert. Durch diese Führung des Schweißgasstroms wird jedoch, insbesondere bei verzinkten tiefgezogenen Blechen, die Oberfläche der zu schweißenden Teile durch die heißen Schweißgase in einem relativ großen Bereich um den eigentlichen Schweißpunkt herum oxidiert und verunreinigt.

Um diesen Nachteil auszumerzen und eine Oxidation und Verunreinigung um den Schweißpunkt möglichst einzugrenzen, wurde ein neuartiger Plasma-Brenner 20 entwickelt, der die Berührung der Schweißgase 21 mit der Werkstückoberfläche nur auf eine minimale Zone um den Schweißpunkt beschränkt.

Der Plasma-Brenner 20 ist in Fig. 5 im Längsschnitt dargestellt. Er weist eine Elektrode 23 zum Verbinden mit einem ersten Pol (-) einer Stromquelle 11 auf, weiters eine die Elektrode 23 im Abstand umgebende, elektrisch leitfahige Plasmadüse 24, wobei zwischen der Elektrode 23 und der Plasmadüse 24 ein innerer Strömungskanal 25 für plasmaerzeugendes Gas 10 ausgebildet ist, weiters einen die Plasmadüse 24 im Abstand umgebenden Stützring 26 zum Aufsetzen auf die Oberfläche eines Werkstücks 1. Wesentlich ist, dass der Stützring 26 um seinen Umfang verteilte Durchgangsöffnungen 26b aufweist, durch die hindurch die Schweißgase 21 um 90° und mehr abgelenkt aus dem Schweißraum 22 des Brenners 20 austreten können. Im Gegensatz zum Stand der Technik befinden sich die Durchgangsöffnungen 26b jedoch nicht unmittelbar am Aufsetzbereich 26a des Stützrings 26 (vgl. Abstandsdüse 15 in Fig. 1), sondern davon axial beabstandet, was zur wesentlich verbesserten Umlenkung der Schweißgase 21 beiträgt. Der Stützring 26 ragt axial über das vordere Ende der Plasmadüse 24 hinaus, die Durchgangslöcher 26b erstrecken sich im Wandbereich des Stützrings 26 zwischen dem vorderen Ende der Plasmadüse 24 und dem • · • · • · • · • « • · ·· ·· • # • · · • ···· • · ·· · • · · • · * • ···· • · ·«#· · 9 vorderen Ende (Aufsetzbereich 26a) des Stützrings 26 und können z.B. kreisförmig, elliptisch oder schlitzförmig ausgebildet sein.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Plasma-Brenners 20 ist das Vorsehen einer ringförmigen Gasfuhrungshülse 27 zwischen der Plasmadüse 24 und dem Stützring 26, wobei die Gasfuhrungshülse 27 axial über das vordere Ende der Plasmadüse 24 hinausragt, aber kürzer ist als der Stützring, d.h. hinter dem Aufsetzbereich 26a des Stützrings 26 endet. Die Gasfuhrungshülse 27 ist von der Plasmadüse 24 und dem Stützring 26 radial beabstandet und bildet dadurch einen äußeren Strömungkanal 28 für das plasmaerzeugende Gas 10. Die Länge der Gasfuhrungshülse 27 ist weiters so gewählt, dass sich Durchgangslöcher 26b im Wandbereich des Stützrings 26 zwischen dem vorderen Ende der Gasfuhrungshülse 27 und dem vorderen Ende (Aufsetzbereich 26a) des Stützrings 26 erstrecken, um eine günstige Führung der Schweißgase 21 zu ermöglichen. Zwischen der Gasfuhrungshülse 27 und dem Stützring 26 ist ein elektrischer Isolator 29 vorgesehen ist. Weiters ist an der Innenfläche der Gasfuhrungshülse 27 ein Steg 27a zur Verminderung der Querschnittsfläche des äußeren Strömungskanals 28 ausgebildet ist, wodurch in diesem Bereich höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten erzielt werden.

Mit Ausnahme des Isolators 29 sind die Bestandteile des Plasma-Brenners 20 vorzugsweise aus Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet.

In einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Plasma-Brenners 20 ist ein Drucksensor 30 im inneren Strömungskanal 25 unmittelbar am Brennerkopf oder unweit davon vorgesehen, um den Druck in der Schweißkammer 22 des Plasma-Brenners 20 zu messen und die Messwerte zur Steuerung der Stromzufuhr zum Plasma-Brenner 20 zu nutzen.

Die Gasfuhrungshülse 27 im Brennerinneren soll so lang sein, dass der Plasma- Lichtbogen 4 fast bis auf die Oberfläche des Werkstücks 1 geführt wird. Diese Gasfuhrungshülse 27 verhindert, dass der Plasma- Lichtbogen 4 mit seinem äußeren Saum die Werkstückoberfläche mehr als notwendig berührt. Die zur Ableitung der Schweißgase 21 vorgesehenen Durchgangslöcher 26b im Stützring 26 sind so angebracht, dass beim Schweißen die heißen Schweißgase die Werkstückoberfläche außerhalb des Stützrings 26 nicht berühren, was bedeutet, dass sie im Abstand von dem Aufsetzbereich 26a des Stützrings ausgebildet sein müssen. Die Schweißgase 21 werden dadurch unmittelbar über dem Schweißpunkt um mehr als 90° umgelenkt und strömen ungehindert aus der Schweißkammer 22 ab. Die Kontaktzone der Schweißgase 21 auf dem Werkstück 1 ist auf • · • · · ···· tt ·« ·♦ • · · · « • · · · ·

·· · • · « ···· • · · » · · • ···· • ♦ 10 eine Fläche beschränkt, die nicht größer ist als jene des stimseitigen offenen Endes der Gasführungshülse 27.

Zusammengefasst weist die vorliegende Erfindung die folgenden wichtigsten Merkmale und Vorteile auf: • In Abhängigkeit von den zu verschweißenden Werkstückdicken und den wärmephysikalischen Eigenschaften der Werkstückwerkstoffe sowie der Oberflächenvergütung (Verzinkung) erfolgt in einer Phase I zeitlich und energetisch gesteuerter Up-Slope. • Der Stromverlauf wird so eingestellt, dass der Plasma-Lichtbogen schlussendlich alle zu verschweißenden Werkstücke durchdringt, so dass während des Schweißprozesses ein Stichloch ausgebildet wird, das am Ende des Schweißprozesses wieder geschlossen wird. • Das Ausbilden des Stichlochs ist ein Kriterium für eine sichere Schweißverbindung zwischen den Werkstücken. • Durch entsprechende Konstruktion des erfindungsgemäßen Plasma-Brenners wird der Plasma-Lichtbogen in einer Gasführungshülse 27 bis kurz über die Werkstückoberfläche geführt und innerhalb des Plasma-Brenners 20 eingegrenzt, wodurch eine verringerte thermische Schädigung der Werkstückoberfläche erreicht wird. • Die Anordnung der Durchgangslöcher 26b im Stützring 26 zum Abströmen der Schweißgase 21 liegt deutlich oberhalb des Aufsetzbereichs 26a des Stützrings 26. Dadurch wird eine Beschränkung des durch den Schweißprozess beeinflussten Bereiches auf das innerhalb der Gasführungshülse 27 befindliche Werkstückareal erzielt. • Durch die konstruktiven Merkmale des erfindungsgemäßen Plasma-Brenners kann der Verbrauch an Schutz- bzw. plasmaerzeugendem Gas 10 reduziert werden (mindestens um 50 % des sonst für das klassische Plasmaschweißen erforderlichen Verbrauchs). ·· · • · · 9 9 9 • ··· • » ···· · ·· Μ ·· · • · · · · 9 · • I · 9 9 9 # 9 • 9 9 » « · 999 • 9 9 · · 9 9 99 99 ·· 9 11

Mit dem erfindungsgemäßen Plasma-Punktschweißverfahren und dem erfindungsgemäßen Plasma-Brenner durchgeführte Versuche haben gezeigt, dass dieses Plasma-Punktschweißen aus gerätetechnischer als auch aus anwendungspraktischer Sicht derzeit zumindest für Werkstücke mit einer Gesamtdicke von 5 mm geeignet ist. Im unteren Dickenbereich könnte die Machbarkeitsgrenze bei sehr kleinen Gesamtblechdicken um 0,2 Millimeter liegen. Diese Werte sind aber nicht als absolute Grenzwerte anzusehen, sie spiegeln vielmehr nur die bisherigen Versuche der Erfinder wider, die sich auf übliche Blechdicken im Automobilbau konzentriert haben.

In der nachfolgenden Tabelle werden typische Schweißparameter für das erfindungsgemäße Plasma-Punktschweißen von höherfesten verzinkten Blechen unterschiedlicher Dicke aus ZstE 340 +Z 100 MB angegeben, wobei ein Plasma-Brenner mit einer Plasmadüse mit einem Durchmesser von 2,0 mm, eine Plasmagaszuführung von 0,81 1/min und eine Schutzgaszuführung von 3 1/min eingestellt wurden. In der Phase I wurde ein rampenförmiger Anstieg (Up-slope) des Stroms bis auf einen Hauptprozessierungsstromwert von 140 A eingestellt, der in der Phase II konstant beibehalten wurde: B lechdickenkombination Phase I UP-Slope [ms] Phase II Haltezeit [ms] 1,0 /1,0 mm 1.400 200 1,0 /1,2 mm 1.800 200 1,0 /1,5 mm 1.800 400 1,2/ 1,0 mm 1.800 400 1,2 /1,2 mm 1.800 600 1,2 / 1,5 mm 1.800 800 1,5 /1,0 mm 1.800 600 1,5 / 1,2 mm 1.800 800 1,5 /1,5 mm 1.800 1.000

Claims

• · · • ···* • · • · ···· 12 Patentansprüche 1. Verfahren zum Plasma-Punktschweißen von oberflächenvergüteten Werkstücken unter Verwendung eines Plasma-Brenners (3, 20), umfassend das Zufuhren eines plasmaerzeugenden Gases (10) zu dem Plasma-Brenner (3, 20), das Verbinden eines ersten Pols (-) einer Stromquelle (11) mit einer Elektrode (8, 23) des Plasma-Brenners, das Verbinden eines zweiten Pols (+) der Stromquelle (11) mit einem zu schweißenden Werkstück (1), das Aufbauen zumindest eines Plasma-Lichtbogens (4) von der Elektrode (8, 23) des Brenners in Richtung des Werkstücks (1) durch Beaufschlagen einer Anoden-Kathoden-Strecke zwischen der Elektrode (8, 23) und dem Werkstück (1) mit elektrischem Strom (I(t)) aus der Stromquelle (11), dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom in einer Phase I in einem Vorprozessierungsstrombereich (ly) gehalten wird, dass in einer anschließenden Phase II der elektrische Strom (I(t)) auf einem Hauptprozessierungsstromwert (Ih) oder -bereich gehalten wird, dessen Durchschnittswert höher ist als der durchschnittliche Vorprozessierungsstrombereich (ly), und dass optional in einer anschließenden Phase III der elektrische Strom (I(t)) reduziert wird.
2. Plasma-Punktschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Phase I der elektrische Strom (I(t)) nach dem Einschalten konstant gehalten wird.
3. Plasma-Punktschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Phase I der elektrische Strom (I(t)) rampenförmig (Up-slope) oder stufenweise erhöht wird.
4. Plasma-Punktschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Phase I der elektrische Strom (I(t)) einen gepulsten, schwellenden oder parabelförmigen Verlauf aufweist.
5. Plasma-Punktschweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der rampenförmigen Stromerhöhung gemäß der Ungleichung 0 < dl/dt < 1000 in [A/s] festgelegt ist.
6. Plasma-Punktschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Phase III der elektrische Strom (I(t)) rampenförmig (Down-slope) oder stufenweise reduziert wird.

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7. Plasma-Punktschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefalle (-dl/dt) der rampenförmigen Stromverringerung größer als 100 ist.
8. Plasma-Punktschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase I zumindest bis zum Verdampfen von Oberflächenvergütungsschichten der Werkstücke (1, 2) in einer Fügezone (12) zwischen den beiden Werkstücken beibehalten wird.
9. Plasma-Punktschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase II zumindest bis zur Ausbildung eines Stichlochs (9) in dem dem Plasma-Brenner (3, 20) zugewandten Werkstück (1) durch vollständiges Durchschmelzen dieses Werkstücks beibehalten wird.
10. Plasma-Punktschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase III zumindest bis zur Ausbildung eines durch alle zusammenzufugenden Werkstücke (1, 2) hindurchgehenden Stichlochs (9) durch vollständiges Durchschmelzen aller Werkstücke und nachfolgendes Wiederverschließen des Stichlochs durch Erstarren der im Stichloch befindlichen Schmelze (6) aufgrund der reduzierten Stromzufuhr beibehalten wird.
11. Plasma-Punktschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite des Plasma-Brenners (20) aus dem Stichloch (9) austretende Rauche und Gase (21) im Abstand von der Oberfläche des Werkstücks (1) seitlich aus dem Plasma-Brenner gelenkt werden.
12. Plasma-Punktschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schweißkammer (22) des Plasma-Brenners (20) eine Gasdruckmessung erfolgt, wobei aus einem Druckabfall in der Schweißkammer die vollständige Ausbildung des Stichlochs (9) durch alle Werkstücke (1, 2) detektiert wird, woraus das Ende der Phase II festgelegt werden kann.
13. Plasma-Brenner (20) zum Schweißen und Schneiden von Werkstücken, mit einer Elektrode (23) zum Verbinden mit einem ersten Pol (-) einer Stromquelle (11), einer die Elektrode im Abstand umgebenden, elektrisch leitfähigen Plasmadüse (24), wobei zwischen der Elektrode und der Plasmadüse ein innerer Strömungskanal (25) für plasmaerzeugendes Gas (10) ausgebildet ist, und einem die Plasmadüse im Abstand umgebenden Stützring (26) ·· ·· ·· · • · · · · • · · · « • · · · · ·· ·· ·· • · · • ···-_ • · · • ···* • * ···· · 14 zum Aufsetzen auf die Oberfläche eines Werkstücks (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (26) um seinen Umfang verteilte und von einem Aufsetzbereich (26a) beabstandete Durchgangsöffnungen (26b) aufweist.
14. Plasma-Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (26) axial über das vordere Ende der Plasmadüse (24) hinausragt und sich Durchgangslöcher (26b) im Wandbereich des Stützrings (26) zwischen dem vorderen Ende der Plasmadüse und dem Aufsetzbereich (26a) des Stützrings erstrecken.
15. Plasma-Brenner nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher (26b) kreisförmig, elliptisch oder schlitzförmig ausgebildet sind.
16. Plasma-Brenner nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasführungshülse (27) zwischen der Plasmadüse (24) und dem Stützring (26) angeordnet ist, die axial über das vordere Ende der Plasmadüse hinausragt, aber kürzer ist als der Stützring, wobei die Gasführungshülse von der Plasmadüse und dem Stützring beabstandet ist und dadurch einen äußeren Strömungkanal (28) für das plasmaerzeugende Gas (10) bzw. Schutzgas zwischen der Plasmadüse (24) und der Gasfuhrungshülse (27) bildet.
17. Plasma-Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich Durchgangslöcher (26b) im Wandbereich des Stützrings (26) zwischen dem vorderen Ende der Gasführungshülse (27) und dem Aufsetzbereich (26a) des Stützrings (26) erstrecken.
18. Plasma-Brenner nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gasfuhrungshülse (27) und dem Stützring (26) ein elektrischer Isolator (29) vorgesehen ist.
19. Plasma-Brenner nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenfläche der Gasfuhrungshülse (27) ein Steg (27a) zur Verminderung der Querschnittsfläche des äußeren Strömungskanals (28) ausgebildet ist.
20. Plasma-Brenner nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass er im Wesentlichen aus Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet ist.
21. Plasma-Brenner nach einem der Ansprüche 13 bis 20, gekennzeichnet durch einen Drucksensor (30) am Brennerkopf, insbesondere im inneren Strömungskanal (25) des Plasma-Brenners (20).