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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen bei
dem eine nichtabschmelzende und von einem Plasmabrenner konzentrisch
umgebene Elektrode eingesetzt wird, wobei über den Plasmabrenner zumindest
ein Plasmagas und ein Schutzgas zugeführt werden, wobei durch Ionisation
des Plasmagases mit Hilfe eines Pilotlichtbogens oder einer Hochfrequenzzündung und Einschnüren des
Plasmagases mit Hilfe einer gekühlten
Düse ein
auf das zu schweißende
Werkstück gerichteter
und von Schutzgas umhüllter
Plasmastrahl ausgebildet wird, der die gesamte Werkstückdicke
durchstößt, das
durch Aufschmelzen des Werkstücks
entstehende Schmelzbad zur Seite drückt, wobei durch die Oberflächenspannung
der Schmelze ein Durchfallen durch das Stichloch verhindert wird, und
die Schmelze hinter der sich bildenden Schweißöse wieder zusammenfliessen
und zur Schweißnaht
erstarren lässt.
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Schweißen bezeichnet
das unlösbare
Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme oder Druck. Dabei können bei
den bekannten Schweißverfahren
Schweißzusatzwerkstoffe
zum Einsatz kommen. Für
Metalle werden meist Schmelzschweißverfahren mit Wärmezufuhr
eingesetzt. Diese könne
jedoch auch beim Schweißen
von Glas oder für
thermoplastische Kunststoffe angewandt werden.
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Beim
Schmelzschweißen
wird üblicherweise mit örtlich begrenztem
Schmelzfluss ohne Anwendung von Kraft geschweißt.
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Das
Verbinden der Bauteile erfolgt bei den bekannten Verfahren in der
Regel in einer Schweißnaht
oder in einem Schweißpunkt.
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Eine
besonders interessante Gruppe der Schweißverfahren stellt das sog.
Schutzgasschweißen
dar. Das Schutzgasschweißen
gliedert sich in mehrere voneinander klar zu trennende, verschiedene
Verfahren. Beispielhaft seien hier das Metallschutzgasschweißen (MSG-Schweißen), das
Wolfram-Inertgasschweißen
und das Plasmaschweißen genannt.
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Unter
den Schutzgasschweißverfahren nimmt
das Plasmaschweißen
eine besondere Stellung ein. Das Plasmaschweißen ist mit einer höheren Energiekonzentration
verbunden als viele der Konkurrenzverfahren.
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Beim
Plasmaschweißen
dient ein Plasmastrahl als Wärmequelle.
Der Plasmastrahl wird durch Ionisation und Einschnüren eines
Lichtbogens erzeugt. Dieser brennt häufig zwischen einer nichtabschmelzenden
negativen (Wolfram-)Elektrode und dem Werkstück als sog. Hauptlichtbogen
(direkt übertragener
Lichtbogen). Zusätzlich
kann für
den Zündvorgang
zwischen einer nichtabschmelzenden negativen (Wolfram-)Elektrode
und einer als Düse ausgebildeten
Anode ein Pilotlichtbogen eingesetzt werden. Es wird ein auf das
Werkstück
gerichteter Plasmastrahl ausgebildet, der z. B. entlang eines gewünschten
Schweißnahtverlaufs
bewegt werden kann. Beispielsweise durch einen die Elektrode konzentrisch
umgebenden Plasmabrenner werden bis zu drei Gase oder Gasgemische
zugeführt,
nämlich das
Plasmagas, das Fokussiergas zum Einschnüren des Plasmastrahls und das
Schutzgas. Der Volumenstrom jeder Gasart ist dabei zeitlich konstant.
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Bei
den herkömmlichen
Verfahren wird der Plasmastrahl und ggf. das Fokussiergas von Schutzgas
umhüllt.
Der Einsatz von Schutzgas dient unter anderem dazu, dass die Schmelze
während
des Schweißvorgangs
vor Oxidation geschützt
wird.
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Das
Plasma-Stichlochschweißen
stellt eine Variante des Plasmaschweißens dar. Das Plasma-Stichlochschweißen wird
bis zu einer Blechdicke von 8 bis 10 mm eingesetzt, nicht jedoch
bei einer Belchdicke unter 3 mm. Dieses Verfahren findet hauptsächlich Anwendung
im Behälter-
und Apparatebau und im Rohrleitungsbau.
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Beim
Plasma-Stichlochschweißen
durchstößt der Plasmastrahl
zu Beginn des Schweißvorgangs
die gesamte Werkstückdicke.
Dabei wird das durch Aufschmelzen des Werkstücks entstehende Schmelzbad
vom Plasmastrahl zur Seite gedrückt. Die
Oberflächenspannung
der Schmelze verhindert ein Durchfallen durch das Stichloch. Stattdessen fließt die Schmelze
hinter der sich bildenden Schweißöse wieder zusammen und erstarrt
zur Schweißnaht.
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In
den bekannten Verfahren wird der Schweißstrom (I) entweder konstant
gehalten oder es wird mit pulsierendem Schweißstrom geschweißt. In diesem
Fall setzt sich jede Periode aus einer Impulsstromphase (Hochstromphase)
und einer Grundstromphase (Niedrigstromphase) zusammen.
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Mit
zunehmender Blechdicke reduziert sich die maximal realisierbare
Schweißgeschwindigkeit erheblich.
Desweiteren ist die sichere und stabile Ausbildung des Stichloches
unter praxisrelevanten Bedingungen wie z. B. bei langen Lichtbogenzeiten, unterschiedlichen
Blechoberflächen,
nicht-optimalem Masseanschluss u. ä. mit Schwierigkeiten verbunden,
insbesondere beim Plasma-Stichlochschweißen von
Baustahl.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren
zum Plasma-Stichlochschweißen zur
Verfügung
zu stellen, durch das die Prozesstabilität verbessert und/oder die maximal
realisierbare Schweißgeschwindigkeit
erhöht
wird.
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Verfahrensseitig
wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass als Plasmagas (PG)
und/oder als Schutzgas (SG) eine Gasmischung eingesetzt wird, deren
Zusammensetzung während
des Schweißvorgangs
mehrmals zeitlich verändert
wird, wodurch ein zeitlich sich verändernder Staudruck auf die
Schmelze ausgeübt
wird und dadurch die Schmelze in Schwingung versetzt wird.
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Dadurch
dass die Schmelze in Schwingung versetzt wird, erhöht sich
besonders vorteilhaft die Prozesstabilität beim Zusammenfließen der
Schmelze hinter dem Stichloch. Die Kinematik der Stichlochbildung
wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft
verändert.
Des Weiteren erhöht
der durch die zeitliche Änderung
pulsierende Plasmastrahl vorteilhaft die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit,
mit besonderem Vorteil ohne die Streckenenergie d. h. den Energieeintrag
in das Werkstück
pro Länge
der Schweißnaht)
signifikant zu erhöhen.
Als weiterer Vorteil kann z. B. durch eine zeitlich veränderliche
Zusammensetzung des Fokussiergases die Energiedichte des Plasmastrahls
variiert werden.
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Der
Bezug auf eine mehrmalige zeitliche Änderung soll dazu dienen, die
vorliegende Erfindung von einfachen Aus- und Einschaltvorgängen am
Beginn und am Ende eines Schweißprozesses
klar abzugrenzen.
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Mit
besonderem Vorteil wird über
den Plasmabrenner zusätzlich
ein Fokussiergas zugeführt, durch
das das Plasmagas weiter eingeschnürt wird, wobei das Plasmagas
und das Fokussiergas von Schutzgas umhüllt werden.
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Vorteilhaft
wird die Zusammensetzung des Fokussiergases mehrmals zeitlich verändert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Plasmagas und/oder das
Fokussiergas und/oder das Schutzgas mindestens ein Gas aus der Gruppe
von Argon, Helium, Stickstoff und Wasserstoff enthält. Bevorzugt
werden demnach als Plasmagas und/oder als Fokussiergas und/oder als
Schutzgas Gase oder Gasgemische verwendet, die mindestens ein Gas
aus der genannten Gruppe enthalten. Die Festlegung des geeigneten
Gases bzw. des geeigneten Gasgemisches erfolgt in Abhängigkeit
von der Schweißaufgabe,
besonders unter Berücksichtigung
des zu schweißenden
Grundwerkstoffs und etwaiger Zusatzwerkstoffe. Es kommen sowohl
die Reingase als auch Zwei-, Drei- und Mehr-Komponenten-Gemische
vorteilhaft zum Einsatz. In vielen Fällen haben sich auch dotierte
Gasgemische als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei dotierte Gasgemische
Dotierungen mit aktiven Gasen im vpm-Bereich aufweisen, d. h. die
Dotierung erfolgt bevorzugt im Bereich von weniger als 2,5 Volumenprozent,
meist weniger als 0,1 Volumenprozent. Als Dotiergase können aktive
Gase wie z. B. Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Lachgas
(Distickstoffmonoxid) oder Stickstoff eingesetzt werden.
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Bevorzugt
werden der Heliumanteil und/oder der Wasserstoffanteil in der Gasmischung
zeitlich verändert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Zusammensetzungen
des Plasmagases und des Fokussiergases synchron zueinander zeitlich
verändert.
Dies dient insbesondere dazu etwaige ungünstige Vermischungen zwischen Plasmagas
und Fokussiergas zu verhindern.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden die Zusammensetzungen
des Plasmagases und des Fokussiergases zueinander phasenverschoben
zeitlich verändert.
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Besonders
bevorzugt wird die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des
Fokussiergases synchron zur Änderung
der Zusammensetzung des Schutzgases zeitlich verändert. Dies dient insbesondere
der Verhinderung von ungünstigen Vermischungen
und daraus möglicherweise
resultierenden Turbulenzen.
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Eine
weitere zweckmäßige Ausgestaltung der
Erfindung sieht vor, dass mit pulsierendem Schweißstrom (Impulsstrom)
geschweißt
wird, wobei jede Periode aus einer Impulsstromphase (Hochstromphase)
und einer Grundstromphase (Niedrigstromphase) zusammengesetzt wird.
Beim Schweißen mit
pulsierendem Schweißstrom
(Impulsstrom) kann mit besonderem Vorteil der Plasmagasvolumenstrom und/oder
der Fokussiergasvolumenstrom synchron oder phasenverschoben zum
Impulsstromverlauf zeitlich verändert
werden. Es kann jedoch für
bestimmte Anwendungen auch besonders vorteilhaft sein mit Konstantstrom
anstatt mit Impulsstrom zu schweißen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Zusammensetzung
des Plasmagases und/oder die Zusammensetzung des Fokussiergases
synchron zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Zusammensetzung des
Plasmagases und/oder die Zusammensetzung des Fokussiergases zum
Impulsstromverlauf phasenverschoben zeitlich verändert.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht zusätzlich vor,
dass mindestens ein Gasvolumenstrom während des Schweißvorgangs
mehrmals zeitlich verändert
wird.
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Beispielsweise
wird der Plasmagasvolumenstrom und/oder der Fokussiergasvolumenstrom und/oder
der Schutzgasvolumenstrom zeitlich verändert.
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Bevorzugt
werden der Plasmagasvolumenstrom und der Fokussiergasvolumenstrom
zeitlich verändert.
Besonders bevorzugt werden der Plasmagasvolumenstrom und der Fokussiergasvolumenstrom
synchron zueinander zeitlich verändert.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden der Plasmagasvolumenstrom
und der Fokussiergasvolumenstrom zueinander phasenverschoben zeitlich
verändert.
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Eine
besonders günstige
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Plasmagasvolumenstrom
und/oder der Fokussiergasvolumenstrom synchron zum Impulsstromverlauf
zeitlich verändert
werden.
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Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
der Plasmagasvolumenstrom und/oder der Fokussiergasvolumenstrom
zum Impulsstromverlauf phasenverschoben zeitlich verändert werden.
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Zweckmäßigerweise
wird die zeitliche Veränderung
des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung zumindest zum Teil
durch ein Rechteckprofil dargestellt.
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Mit
besonderem Vorteil verläuft
die zeitliche Veränderung
des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung nach einem modifizierten
Rechteckprofil, das abgeschrägte
Schultern aufweist.
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Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die zeitliche Veränderung des
Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung zumindest zum Teil durch
ein Dreieckprofil oder ein sinusförmiges Profil dargestellt wird.
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Durch
geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen
kann der Schweißprozess
mit besonderem Vorteil aufgabenspezifisch optimiert werden.
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Zum
Beispiel kann mit besonderem Vorteil einem niederfrequenten Impuls
des Gasvolumenstroms des Plasma- und/oder des Fokussiergases (z. B.
1–100
Hz) in der Hochphase oder in der Niedrigphase ein hochfrequentes
Pusieren des Plasma- und/oder
des Fokussiergases (100–8000
Hz) überlagert
werden.
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Die
Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen, von denen im Folgenden
nur einige beispielhaft genannt werden:
Dadurch dass die Schmelze
in Schwingung versetzt wird, erhöht
sich besonders vorteilhaft die Prozesstabilität beim Zusammenfließen der
Schmelze hinter dem Stichloch. Des Weiteren erhöht der durch die zeitliche
Veränderung
der Zusammensetzung pulsierende Plasmastrahl vorteilhaft die maximal
realisierbare Schweißgeschwindigkeit,
mit besonderem Vorteil ohne die Streckenenergie d. h. den Energieeintrag
in das Werkstück
pro Länge
der Schweißnaht) signifikant
zu erhöhen.
Durch geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen
kann der Schweißprozess
mit besonderem Vorteil aufgabenspezifisch optimiert werden.
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Die
Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im
Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im
Einzelnen zeigen die Figuren
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1 ein
Beispiel für
eine synchrone zeitliche Änderung
der Zusammensetzung des Plasmagases und des Fokussiergases bei einem
gepulsten Schweißstrom
und bei zusätzlich
sychroner Änderung
der Zusammensetzung des Schutzgases,
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2 ein
Beispiel für
eine zueinander synchrone zeitliche Änderung der Zusammensetzung des
Plasmagases, des Fokussiergases und des Schutzgases, die zu einem
gepulsten Schweißstrom phasenversetzt
durchgeführt
wird.
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In
beiden 1 und 2 ist auf der x-Achse der Darstellungen
die Zeit angetragen. In y-Richtung sind im Einzelnen folgende Größen angetragen: Schweißstrom I,
Plasmagaszusammensetzung, Fokussiergaszusammensetzung und Schutzgaszusammensetzung,
wobei die letzten drei Größen bei
ihrer Veränderung über die
Zeit jeweils einen mit B bezeichneten Wert als (relatives) Maximum
und einen mit A bezeichneten Wert als (relatives) Minimum annehmen.
Es wird also in diesem Beispiel für jede der drei Größen im Wesentlichen
mit zwei verschiedenen Zusammensetzungen gearbeitet. Selbstverständlich liegen
auch weitere, kompliziertere Wechsel zwischen mehreren verschiedenen
Zusammensetzungen im Rahmen der Erfindung.
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In
der 1 sind alle gezeigten Amplitudenänderungen
zueinander synchron.
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Die
in der 1 und in der 2 gezeigte synchrone Änderung
der Zusammensetzung des Schutzgases ist besonders vorteilhaft zur
Vermeidung einer unkontrollierten Entmischung und einer daraus möglicherweise
entstehenden Verwirbelung der Gasströme, die bei manchen Anwendungsfällen und
bei Einsatz eines konstant zusammengesetzten Schutzgases auftreten
könnten.
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Die 1 und 2 sind
als schematische Beispiele für
die beschriebenen zeitlichen Änderungen
des Gasvolumenstroms zu betrachten. Die Formen für die Verläufe von Schweißstrom,
Plasmagasvolumenstrom und Fokussiergasvolumenstrom sind hier nur
schematisch angegeben. Sie können
den aufgabenspezifischen Anforderungen von konkreten Schweißaufgaben
Rechnung tragende Anstiegsgeschwindigkeiten, Abfallgeschwindigkeiten,
Zwischenimpulse und Schultern (z. B. beim Übergang von der Hochphase zur
Niedrigphase) aufweisen.