DE10041276C2 - Plasma-MSG-Fügeverfahren und Brenner hierfür - Google Patents

Abstract

Das Plasma-MSG-Schweißen und -Löten, bei dem ein Lichtbogen (11) zwischen einer abschmelzenden Metallelektroden und einem zu vershweißenden Werkstück (9) gebildet und der Lichtbogen (11) von einem Plasma-Lichtbogen (13) und einem Schutzgas (16, 17) umgeben wird, wird bezüglich der erzielten Nahteigenschaften oder der Vorschubgeschwindigkeit verbessert durch die Verwendung einer Metallelektrode (2) mit einem abgeflachten Querschnitt, dessen Verhältnis von maximaler Breite zu maximaler Dicke zwischen 2 : 1 und 20 : 1 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer mit Abstand oberhalb eines zu fügenden Werkstücks geführten, abschmelzenden Metallelektrode und dem Werkstück gebildet und der Lichtbogen ringförmig von einem Plasma-Lichtbogen und einem Schutzgas umgeben wird (Plasma-MSG- Fügeverfahren).

Die Erfindung betrifft ferner einen Brenner zur Durchführung des Fügeverfahrens mit einem mit Abstand oberhalb eines Werkstücks führbaren Brennerkopf mit einer zentrischen Führung, in der eine vorschiebbare Metallelektrode angeordnet ist, mit einer die Metallelektrode umgebenden ersten Ringleitungsanordnung zur Zuführung eines Plasmagases sowie mit wenigstens einer die erste Ringleitungs­ anordnung radial außen mit Abstand umgebenden zweiten Ringleitungsanord­ nung zur Zuführung eines Schutzgases und/oder Fokussiergases.

Das beispielsweise durch DE 28 16 146 C2 oder DE 26 09 685 A1 bekannte Plasma-MSG-Fügeverfahren ist ein kombiniertes Verfahren, bei dem ein Lichtbo­ gen zwischen der Metallelektrode und dem Werkstück konzentrisch in einem Plasma-Lichtbogen brennt. Die so gebildeten Plasma- und Fokussiergase werden durch einen ringförmigen, äußeren Schutzgasmantel umschlossen. Die hier ange­ sprochenen Fügeverfahren sind Schweiß- und Lötverfahren. Zu den MSG- Fügeverfahren (Metall-Schutzgas-Verfahren) gehören das MIG-Verfahren (Metall- Inertgas-Verfahren) und das MAG-Verfahren (Metall-Aktivgas-Verfahren). Der den MSG-Lichtbogen umschließende Plasma-Lichtbogen dient der Verbesserung der Lichtbogenausbildung und somit einem hohen Wirkungsgrad, der sich in einer höheren erzielbaren Schweiß- bzw. Lötgeschwindigkeit niederschlägt. Da das Plasma-MSG-Verfahren für hohe Fügegeschwindigkeiten ausgelegt ist, eignet es sich nur für die Bearbeitung horizontaler Werkstücke bzw. Werkstückoberflä­ chen, bei der Vorrichtungen zum Halten und Formen des aufgeschmolzenen Fü­ gematerials nicht erforderlich sind. Vorteilhaft ist ferner, dass ein bindefehlerfrei­ er Prozessstart möglich ist, dass die Naht- bzw. Raupengeometrie gut steuerbar ist und dass geringere Abbrandverluste durch niedrigere Tropfentemperatur und so gut wie keine Spritzer auftreten. Besonders vorteilhaft ist auch die hohe Pro­ zessflexibilität, die durch die getrennte Steuerung von Plasma- und MSG- Lichtbogen erzielt wird.

Für das Plasma-MSG-Verfahren werden als Elektroden runde Drahtelektroden verwendet, die als Massivdraht oder als Füllldraht ausgebildet sein können. Das grundsätzlich bekannte Plasma-MSG-Verfahren hat in der Praxis keine Bedeutung erlangt.

Durch die DE 196 01 659 C1 ist ein Verfahren zum Schutzgassenkrechtschwei­ ßen mit horizontal zugeführter Bandelektrode bekannt, bei dem ein vertikaler, V-förmiger Spalt durch eine vertikale Schweißfuge dadurch gefüllt wird, dass die Bandelektrode in den V-förmigen Spalt ragt und in dem Spalt ein Lichtbogen zwi­ schen der Kante der Bandelektrode und der Spaltwandung linienförmig wandert und dadurch zum Aufschmelzen des Werkstoffmaterials und des Elektrodenmate­ rials führt. Zur Haltung und Formung der Schweißfuge dienen ein Kupferschuh auf der Vorderseite und eine Kupferschiene auf der Rückseite des zu füllenden Spaltes, wobei zumindest der Kupferschuh mit der Bandelektrode in vertikaler Richtung in Abhängigkeit von der Füllung der Schweißfuge nach oben geführt wird. Dieses bekannte MAG-Engspaltsenkrechtschweißen ist auf eine relativ ge­ ringe Schweißgeschwindigkeit ausgerichtet und erfordert ein Einführen der Bandelektrode in den Spalt, wobei eine gute Anpassung der Form der Bandelek­ trode an die Querschnittsform des Spaltes erfolgen muss, damit ein gleichmäßi­ ges linienförmiges Wandern des Lichtbogens - und damit ein gleichmäßiges Auf­ schmelzen des Materials - erfolgt.

Die Ausbildung eines den Elektronenstrahl umgebenden Plasma-Lichtbogens ist in einer derartigen Anordnung weder vorgesehen noch möglich.

Die vorliegende Erfindung geht von der Problemstellung aus, das bekannte Plas­ ma-MSG-Schweißen und -Löten zu verbessern, um eine verbesserte praktische Anwendbarkeit zu erzielen.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß das Fügeverfahren der eingangs erwähnten Art gekennzeichnet durch die Verwendung einer Metallelektrode mit einem abgeflachten Querschnitt, dessen Verhältnis von ma­ ximaler Breite zu maximaler Dicke zwischen 2 : 1 und 20 : 1 liegt.

Damit korrespondierend ist erfindungsgemäß ein Brenner der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die verschiebbare Metallelektrode einen abge­ flachten Querschnitt mit einem Verhältnis von maximaler Breite zu maximaler Dicke zwischen 2 : 1 und 20 : 1 aufweist.

Die erfindungsgemäße Metallelektrode mit dem abgeflachten Querschnitt bedingt zahlreiche Vorteile. Da der Lichtbogen der Flachelektrode in Längsachse brennt, wird eine bessere Ausgasung des Schweißgutes ermöglicht. Auch bei erhöhtem Strom entsteht kein Stichlocheffekt, also kein Schneideffekt, der bei runden Me­ tallelektroden auftritt. Die durch die Flachelektrode erzeugte Schweiß- bzw. Löt­ badform verringert den oft unerwünschten Einbrand und prädestiniert das erfin­ dungsgemäße Verfahren neben dem Einsatz für Verbindungsschweißen und -lö­ ten an Dickblech auch für den Dünnblechbereich und für Auftragschweißen und -löten.

Aufgrund der Abflachung der Elektrode kann eine erhöhte Vorschubgeschwindig­ keit erreicht werden, wenn die größere Abmessung der Elektrode in Vor­ schubrichtung, also beispielsweise in Richtung einer Verbindungsnaht, ausgerich­ tet ist. Eine um 90° gedrehte Ausrichtung führt zu einer verbesserten Spaltüber­ brückbarkeit auch für breitere und/oder unregelmäßig breite Spalte. Darüber hin­ aus bringt die flache Querschnittsform der Elektrode eine erhöhte Abschmelzlei­ stung mit sich.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für zu fügende Werkstücke aus Alumini­ um und Aluminiumlegierungen, Magnesium und Magnesiumlegierungen, hochle­ gierte, austenitische Stähle, Nickelbasiswerkstoffe, unlegierte, niedrig legierte, warmfeste und hochfeste Stähle, Kupfer-Basis-Legierungen sowie für dünn be­ schichtete Bleche, beispielsweise mit Zink, Aluminium oder organisch beschich­ tete Bleche in der Automobilindustrie. Die flachen Metallelektroden erlauben auch ein Auftragschweißen und -löten, insbesondere Hart-Auftragen.

Der erfindungsgemäße Brenner enthält vorzugsweise eine Führung für einen kon­ tinuierlichen Vorschub der Flachelektrode. Insbesondere für Aluminium und Alu­ miniumlegierungen wird der Brenner so gesteuert, dass zuerst der Plasma- Lichtbogen entsteht und danach der Draht verzögert zugeführt wird. Hierdurch wird die Gefahr der Poren- und Spritzerbildung auf ein Minimum reduziert. Au­ ßerdem werden Bindefehler vermieden. Bei Beendigung des Schweiß- oder Lötprozesses werden MSG- und Plasma-Strom getrennt voneinander auf das Ab­ schaltniveau reduziert und der Endkrater gefüllt. Durch eine dünnwandige Bau­ weise von Schutzgas- und Plasma-Düse und eine dünnwandige Gestaltung des Kühlsystems kann der Brenner auch für Anwendungen gebaut werden, die einen kleinsten Durchmesser des Brenners erfordern.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis von maximaler Breite und maximaler Dicke des Elektrodenquerschnitts 2,5 : 1 bis 17,5 : 1. Die Me­ tallelektrode kann vorzugsweise eine maximale Breite zwischen 3 und 7 mm und eine maximale Dicke zwischen 0,4 und 1,2 mm aufweisen. Als Querschnittsform sind rechteckige Querschnitte, insbesondere für Magnesium und Magnesiumle­ gierungen, zweckmäßig. Durch ein Flachdrücken eines kreiszylindrischen Drahtes kann eine annähernde Elipsenform der Metallelektrode insbesondere in Form ei­ nes Metalldrahtes erzielt werden.

Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, einen Fülldraht zu verwenden, der beispielsweise mit einem sonst schwer schmelzbaren Werk­ stoff gefüllt ist, um eine Verbindungsnaht mit gezielt ausgewählten Eigenschaf­ ten zu erstellen. Zu diesem Zweck ist es selbstverständlich auch möglich, wie bei konventionellen Verfahren als Schweiß- oder Lötwerkstoff, also Elektrodenwerk­ stoff, ein Material zu wählen, das vom Werkstoff des zu fügenden Werkstücks verschieden ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines Bren­ ners beim Erstellen einer Verbindungsnaht auf einem zu fügenden Werkstück;

Fig. 2 einen schematischen Vertikalschnitt durch den Brenner und die pro­ duzierten Lichtbögen;

Fig. 3 einen Horizontalschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2 am unteren Ende des Brenners.

Fig. 1 verdeutlicht, dass in einem kreiszylindrisch ausgebildeten Gehäuse 1 ei­ nes Brenners für das Plasma-MSG-Verfahren zentrisch eine Metallelektrode 2 gelagert ist, die einen flachen Querschnitt aufweist. Die Metallelektrode 2 wird in einer als Kontaktrohr ausgebildeten Führung 3 geführt und ist in vertikaler Rich­ tung nach unten vorschiebbar. Eine Vorschubeinrichtung für einen kontinuierli­ chen Vorschub der Metallelektrode 2 ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Kon­ zentrisch zur Metallelektrode 2 bzw. dem Kontaktrohr 3 ist eine erste Ringlei­ tungsanordnung 4 in Form eines Ringspaltes für ein Plasmagas vorgsehen. Die erste Ringleitungsanordnung 4 ist radial außen durch ein erstes Ringrohr 5 be­ grenzt, dessen äußere Mantelfläche zusammen mit einer inneren Mantelfläche eines zweiten Ringrohres 6 eine zweite Ringleitungsanordnung 7 definiert. In der zweiten Ringleitungsanordnung 7 kann ein Fokussiergas bzw. Schutzgas geführt werden.

Wie Fig. 1 verdeutlicht, wird der Brenner über einen Spalt 8 eines Werkstücks 9 geführt, um den Spalt 8 mit einer Verbindungsnaht 10 aus dem Material der ge­ schmolzenen Metallelektrode 2 zu verfüllen.

Damit das Material der Metallelektrode 2 schmilzt, wird an die Metallelektrode 2 eine elektrische Spannung in Form von Gleichspannungs- oder Wechselspan­ nungsimpulsen angelegt und so ein MSG-Lichtbogen 11 ausgebildet. Das durch die erste Ringleitungsanordnung 4 strömende Plasmagas zündet aufgrund einer am unteren Ende des Gehäuses 1 angeordneten Ringelektrode 12 und bildet ei­ nen Plasma-Lichtbogen 13 aus, der den MSG-Lichtbogen 11 ringförmig umgibt.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die größere Dimension (Breite) der abgeflachten Metallelektrode 2 senkrecht zu der durch die Längsrich­ tung des Spaltes 8 vorgegebenen Vorschubrichtung, wodurch eine gute Spalt­ überbrückbarkeit durch die Verbindungsnaht 10 gewährleistet ist. Wird hingegen die Metallelektrode 2 um 90° gedreht, eignet sich die Anordnung zur schnellen Herstellung einer schmalen Verbindungsnaht 10.

Fig. 2 zeigt ein Gehäuse 1 eines Brenners, bei dem zwei zweite Ringleitungsan­ ordnungen 7, 7' vorgesehen sind, von denen die innere zweite Ringleitungsan­ ordnung 7 zur Einleitung eines Fokussiergases und die äußere Ringleitungsanord­ nung 7' zur Einleitung eines Inertgases dienen, wobei beide Gase durch Argon gebildet sein können. Argon eignet sich im übrigen auch als Plasmagas.

Das aus der inneren zweiten Ringleitungsanordnung 7 strömende Fokussiergas ist schräg nach radial innen auf den Plasma-Lichtbogen 13 gerichtet und dient zur mechanischen Einschnürung des Plasma-Lichtbogens 13. Das in ähnlicher Weise durch die äußere zweite Ringleitungsanordnung 7' geführte Inertgas erfüllt die eigentliche Schutzgasfunktion.

Fig. 2 verdeutlicht noch, dass eine Stromversorgung 14 für die Energieversor­ gung des MSG-Lichtbogens 11 mit der Metallelektrode 2 und dem Werkstück 9 verbindbar ist, während eine Plasma-Stromversorgung 15 eine die Plasmabildung des Plasmagases verursachende elektrische Energie der Ringelektrode 12 und dem Werkstück 9 zuführt.

Fig. 3 zeigt, dass die Metallelektrode 2 mit einem rechteckigen flachen Quer­ schnitt ausgebildet ist, während das Plasmagas in dem Ringraum 4, die Ringelek­ trode 12 und die zweiten Ringleitungsanordnungen 7, 7' ebenso kreisförmig aus­ gebildet sind, wie die sich daraus ergebenden Gasströmungen des Plasma- Lichtbogens 13 und von Gasströmungskegeln 16, 17 des Fokussiergases bzw. des Inertgases. Allerdings ist es auch möglich, die Form des Ringraumes 4 und der Ringleitungsanordnungen 7, 7' an den abgeflachten Querschnitt der Metalle­ lektrode 2 anzupassen, um so beispielsweise einen elliptischen Plasma- Lichtbogen 13 und elliptische Gasströmungskegel 16, 17 zu produzieren.

Claims (15)

1. Fügeverfahren, bei dem ein Lichtbogen (11) zwischen einer mit Abstand oberhalb eines zu fügenden Werkstücks (9) geführten, abschmelzenden Metallelektrode (2) und dem Werkstück (9) gebildet und der Lichtbogen (11) ringförmig von einem Plasma-Lichtbogen (13) und einem Schutzgas (16, 17) umgeben wird, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Me­ tallelektrode (2) mit einem abgeflachten Querschnitt, dessen Verhältnis von maximaler Breite zu maximaler Dicke zwischen 2 : 1 und 20 : 1 liegt.

2. Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver­ hältnis von maximaler Breite zu maximaler Dicke zwischen 2,5 : 1 und 17,5 : 1 liegt.

3. Fügeverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelektrode eine maximale Breite zwischen 3 und 7 mm und eine ma­ ximale Dicke zwischen 0,4 und 1,2 mm aufweist.

4. Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Querschnitt der Metallelektrode (2) rechteckig ist.

5. Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Querschnitt der Metallelektrode (2) annähernd ellipsenförmig ist.

6. Fügeverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Metal­ lelektrode (2) ein flachgedrückter Metalldraht verwendet wird.

7. Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, dass als Metallelektrode (2) ein Fülldraht verwendet wird.

8. Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, dass der Vorschub der Metallelektrode (2) zum Werkstück (9) erst er­ folgt, wenn der Plasma-Lichtbogen (13) gezündet worden ist.

9. Brenner zur Durchführung des Fügeverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem mit Abstand oberhalb eines Werkstücks (9) führbaren Brennerkopf mit einer zentrischen Führung (3), in der eine vorschiebbare Metallelektrode (2) angeordnet ist, mit einer die Metallelektrode (2) umge­ benden ersten Ringleitungsanordnung (4) zur Zuführung eines Plasmagases sowie mit wenigstens einer die erste Ringleitungsanordnung (4) radial au­ ßen mit Abstand umgebenden zweiten Ringleitungsanordnung (7, 7') zur Zuführung eines Schutzgases und/oder Fokussiergases, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die vorschiebbare Metallelektrode (2) einen abgeflachten Querschnitt mit einem Verhältnis von maximaler Breite zu maximaler Dicke zwischen 2 : 1 und 20 : 1 aufweist.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von maximaler Breite zu maximaler Dicke zwischen 2,5 : 1 und 17,5 : 1 liegt.

11. Brenner nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Me­ tallelektrode (2) eine maximale Breite zwischen 3 und 7 mm und eine ma­ ximale Dicke zwischen 0,4 und 1,2 mm aufweist.

12. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Metallelektrode (2) rechteckig ist.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Metallelektrode annähernd ellipsenförmig ist.

14. Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelek­ trode (2) ein flachgedrückter Metalldraht ist.

15. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelektrode (2) ein Fülldraht ist.