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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung eines Schweißprozesses oder Gas- oder Lichtbogen-Schneidprozesses.
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Für alle Schweiß- oder Schneid-Lichtbogenprozesse kommen sowohl für die Ionisation zum Aufbau der Lichtbögen als auch für den Schutz der metallischen Schmelzen sowie von Schweiß- und Schneidnähten aktive Gase (Prozessgase) zur prozessnahen Abschirmung der Lichtbögen und/oder passive Gase (Schutzgase) zum Schutz der Schmelzen von atmosphärischen Einwirkungen zum Einsatz. Den Prozess- bzw. Schutzgasen kommt daher ein funktionsentscheidendes Prozesseinflussgröße bei diesen Schweiß- oder Schneidprozessen zu und sie bilden einen entscheidenden Bestandteil der Lichtbogenphysik.
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Die Prozess- und/oder Schutzgase werden nach ihrer Eignung für den jeweiligen Schweißprozess (z. B. Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG), Widerstands-Inertgas-Schweißen (WIG) oder unter Pulver-Schweißen (UP)), der Eignung des Gases für die Lichtbogen (MSG-Schweißen), dem Schutz der Schmelze vor der Atmosphäre (z. B. unabhängig von Position und Nahtgeometrie), der Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse wie z. B. Verunreinigungen der Werkstücke oder der Vermeidung von Schweißspritzern ausgewählt. Dies geschieht unter Berücksichtigung der prozessbedingten, physikalischen Anforderungen (z. B. Ionisationsenergie, Zündverhalten bei Schweißbeginn, Bildung eines Plasmastromes (elektrische Leitfähigkeit des (Gas-)Plasmas oder der Lichtbogenstabilität), thermischen Anforderungen (z. B. Wärmeübertragung sowohl im Plasmazustand als auch im nicht-ionisierten Zustand, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Gases) sowie nach metallurgischen Anforderungen bzw. möglichen Reaktionsmustern (wie z. B. Abbrand von Legierungselementen, Zubrand von Kohlenstoff und/oder Sauerstoff und Stickstoff in die Schmelze, Löslichkeit der Gase in der Schmelze (metallurgische Porenbildung); Neigung zur Schlackebildung oder Neigung zur Oberflächenoxidation oder Erhalt mechanischtechnologischer Gütewerte der Werkstoffe, z. B. Zähigkeit, Erhalt der Korrosionsbeständigkeit etc.).
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Praktisch werden Schutzgase gemäß DIN439 verwendet, wobei zum WIG- und MSG(MIG, MAG)-Schweißen nur fünf Schutzgasarten zum Einsatz kommen, nämlich Argon, Helium, Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasserstoff bzw. deren Mischungen. Eine Ausnahme bildet hierbei Stickstoff, der im Regelfall lediglich zum Formieren oder Plasmaschneiden eingesetzt wird. In jüngster Zeit finden jedoch vermehrt stickstoffhaltige Gase zum Schutzgasschweißen von hochlegierten Stählen Anwendung. Beim Aluminiumschweißen begünstigt Stickstoff die Vermeidung der Porenbildung. Reaktive Gase, u. a. silanbasiert, beeinflussen die Schmelzbadbildung hinsichtlich der Oxidfilmverteilung und Metallurgie der erstarrenden Schmelze.
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Den Lichtbogen-Schweiß- oder Schneidprozessen werden dabei die in den Prozessen benötigten Gase in der Regel mit Raumtemperatur zugeführt.
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Verbunden mit der Temperatur sind Viskosität und Ionisationspotential der Gase. Dabei ist die Viskosität von Gasen bei Normaldruck deutlich von der Temperatur abhängig, wobei die Viskosität mit steigender Temperatur deutlich zunimmt und zunehmende Viskosität ein dickflüssigeres, d. h. weniger fließfähiges Fluid bedeutet. Auf diese Weise kann durch Temperaturerhöhung die „innere Steifigkeit” der Gase zum Schutz vor atmosphärischen Umgebungsstörungen oder -strömungen und zur Abschirmung der Schweiß- oder Schneidschmelzen (die in unterschiedlicher Weise erzeugt werden können) mit ihren stets vorhandenen inneren Turbulenzen verwendet werden und zwar mit einer intensiveren und stabileren Schutzwirkung als dies mit kalten Gasen möglich ist.
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Auch der Ionisationsgrad von technischen Gasen ist temperaturabhängig, wobei allerdings eine relevante Einflussnahme auf die Ionisationsfreudigkeit von Gasen erst in Größenordnungen von 10.000°K beachtlich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Konditionierung eines Schweiß- oder Schneidprozesses insbesondere mittels Lichtbogen anzugeben, das eine gezielte Beeinflussung eines Lichtbogens oder Plasmastruktur und/oder einer zugehörigen Schutzgasatmosphäre gestattet und wodurch es einerseits möglich ist, eine Brennfleck-Leistungsdichte in einem Lichtbogen-Fußpunkt deutlich zu erhöhen, wie andererseits nachteilige Gefügeumwandlungen innerhalb der behandelten Werkstoffe zu vermeiden und dadurch bei Schweißprozessen, insbesondere Schweißprozessen unter Schutzgasatmosphäre, die Verbindungsfestigkeit der Schweißverbindung zu erhöhen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für Schweiß- oder Schneidprozesse, insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird hinsichtlich des Verfahrens die vorgenannte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der grundsätzliche Lösungsgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Schweiß- oder Schneidprozess unter Einsatz eines Lichtbogens diesen mit einem Kaltgasstrom, z. B. mit einer Temperatur von minus 50°C zu beaufschlagen (insbesondere „anzublasen”) und auf diese Weise zu kontrahieren bzw. Einfluss auf die geometrische Gestalt des Lichtbogens zu nehmen, woraus eine drastische Erhöhung der Brennfleck-Leistungsdichte im Lichtbogenfuß resultiert, wie auch die Ausdehnung einer Wärmeeintragzone im Grundwerkstoff bzw. der zugehörigen Werkstoffanordnung minimiert wird.
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Vorzugsweise wird ein entsprechend gekühltes Prozessgas verwendet, welches vorzugsweise ein Kaltgasstrom eines Wirbelrohres (auch Ranque-Hilsch-Wirbelrohr), ist. Andererseits kann der Kaltgasstrom auch dazu verwendet werden, eine Rückseite bzw. Unterseite einer entsprechenden mittels Lichtbogen verschweißten oder geschnittenen Werkstückanordnung gegenüberliegend zur Ausbildung eines Schmelzbades zu beaufschlagen, woraus, auch in Verbindung mit einer Konditionierung bzw. Beeinflussung des Lichtbogens durch einen Kaltgasstrom, eine schockartige Abkühlung der Werkstückanordnung unmittelbar benachbart zur Ausbildung eines Lichtbogens resultiert. Diese führt dazu, dass die Ausbildung intermetallischer Phasen, z. B. beim Verschweißen von unterschiedlichen Werkstoffen wie Stahl-Aluminium-Kombinationen oder Aluminium-Magnesium-Kombinationen, weitgehend unterbunden wird, sodass eine Materialsversprödung und Rissanfälligkeit im Bereich der Schweißverbindung wesentlich herabgesetzt wird.
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Durch die Erfindung ergibt sich nicht nur eine erhöhte Lichtbogenleistung die denen eines Plasma-Brenners nahekommt, sondern auch geringere Wärme-Flächenbelastungen der Werkstoffanordnung und zugehörigen Grundwerkstoffe in einer Schweißzone sowie verkürzte Erstarrungszeiten eines Schmelzebades im Bereich einer Schweißnaht und eine radikale Abkühlung der Werkstückanordnung bzw. der Grundwerkstoffe.
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Dies ist besonders wichtig bei Feinkornbaustählen, bei Warmformstählen wie z. B. 22 MnB 5 oder temperaturpressgeformten und nachträglich temperaturgehärteten Stählen.
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Die schlagartige Abkühlung in Verbindung mit der Kühlung der Lichtbogenflanken mit extrem gekühlten Prozess- und auch Schutzgasen wie auch die Beaufschlagung des Lichtbogens und/oder der Werkstückanordnung mit einem oder mehreren Kaltgasströmen, vorzugsweise auch unter Einsatz eines Wirbelrohres, unterbindet weitgehend oder stoppt die Diffusionsvorgänge beim Schmelzfügen von Mischwerkstoffen wie Stahl-Aluminium-Kombinationen oder Aluminium-Magnesium-Kombinationen sowie deren Legierungen. Die weitgehende Ausschaltung oder Minimierung von Diffusionsvorgängen bewirkt ihrerseits eine Reduktion bei der Ausbildung intermetallischer Phasen dieser gefügten (verschweißten) Materialkombinationen.
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Auf diese Weise vermindert sich das Sprödbruchverhalten im Fügebereich und die Verbindungsfestigkeiten erreichen Werte nahe derjenigen der Ausgangswerkstoffe.
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Erfindungsgemäß werden durch die Einwirkung eines oder mehrerer Kaltgasströme auf einen Lichtbogen im Rahmen eines Schweiß- oder Schneidprozesses vorteilhafte Lichtbogen-Plasma-Verhältnisse eingerichtet, wie auch eine Einflussnahme auf den Prozess des Aufschmelzens der bei einem Schweißprozess zu verbindenden Grundwerkstoffe, der eingesetzten Zusatzwerkstoffe (stromführende Elektroden) oder auch zu einem gesteuerten Abkühlen von Schmelzbad und Lichtbogen erfolgt.
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Vorzugsweise wird der Kaltgasstrom oder werden die Kaltgasströme als Prozessgas- oder Schutzgas- oder Kühlfluidströme zumindest teilweise unter Einsatz eines oder mehrere Wirbelrohre erzeugt, eingesetzt für die Bereitstellung von Prozess- und Schutzgasen beim Lichtbogen-Schweißen oder -schneiden oder beim Einsatz von Energiestrahlen, wie Laserstrahlen für das Schweißen oder Schneiden.
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Vorzugsweise kann auch der gleichzeitig mit der Entstehung des Kaltgasstromes entstehende Heißgasstrom eines Wirbelrohres prozesswirksam genutzt werden. So kann vorzugsweise die bei Verwendung eines Wirbelrohres auftretenden Temperaturunterschiede eines eingespeisten Prozess- oder Schutzgases direkt genutzt um
- 1. mittels eines Heißgasstromes den Lichtbogen und sein Ionisationsverhalten in einem angelegten Spannungs-/Stromfeld stabil mit Hilfe eines, den Lichtbogen koaxial oder konzentrisch umgebenden Heißgasstromes aufzubauen; ferner
- 2. eine Kontraktion des Lichtbogens zu veranlassen durch Anströmen eines arbeitenden („brennenden”) Lichtbogens mit Kaltgasstrom von extrem kaltem Gas und zwar vorzugsweise über seine (gesamte) Länge, oder
- 3. den Kaltgasmantel (Prozessgas) um den Lichtbogen herum mit einem stützenden und abschirmenden Schutzgasmantel aus Heißgas zu umgeben.
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Eine sich hierbei einstellende Energiedichtenerhöhung im Lichtbogen-Fußpunkt bewirkt einen punktuellen Energieeintrag und reduziert die thermischen Belastungen der zu fügenden oder zu trennenden Grundwerkstoffe der Werkstückanordnung.
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Vorzugsweise erfolgt dieses Anströmen durch eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem speziellen Düsensystem eines Schweiß- oder Schneidbrenners. Der Kaltgasstrom kann auch lateral dem Lichtbogen zugeführt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann auch die aus dem Wirbelrohr herrührende Kombination eines Heißgasstromes und eines Kaltgasstromes genutzt werden, diese Gasströme dem Lichtbogen über ein Doppel-Gasdüsensystem zuzuführen.
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In Umsetzung der vorgenannten Gasführung kann auch ein inneres, den Lichtbogen konzentrisch umströmendes heißes Gas, d. h. ein Heißgasstrom als Zentrumsgas zum Triggern des Ionisationsvorganges zur Ausbildung des Lichtbogens und zum Pulsen über ein Regelventil zur Einflussnahme auf die Schmelze und ihrer Strömungsbewegungen an der Oberfläche und in der Tiefe eingesetzt werden;
Vorzugsweise wird in diesem Fall in Verbindung mit einer Ringdüse der innere, den Lichtbogen konzentrisch oder koaxial umgebenden Heißgasstrom umströmend durch einen aus der Ringdüse austretenden Kaltgasstrom gekühlt, der den Heißgasstrom konzentrisch, bzw. koaxial umgibt und auf diese Weise den Lichtbogenkegel, bestehend aus einer ionisierten Säule des Zentrumsgases kühlt und eine gewünschte Kontraktion des Lichtbogens herbeiführt. Eine entsprechende Ringdüse kann in Verbindung mit dem Schweiß- oder Schneidbrenner selbst vorgesehen sein. Alternativ kann auch hier statt konzentrischer oder koaxialer Gasführung in Verbindung mit der Ausbildung des Lichtbogens der Kaltgasstrom und/oder der Heißgasstrom dem Lichtbogenprozess lateral zugeführt werden.
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In Umkehrung zu der vorbeschriebenen Verfahrensweise mit innenliegendem Heißgasstrom und außenliegendem Kaltgas”-Mantels” kann, wie eingangs erläutert und besonders bevorzugt, die Position von dem Lichtbogen koaxial oder konzentrisch Kalt- bzw. Heißgasströmen auch vertauscht werden, d. h. das in unmittelbarem Kontakt mit den Lichtbogenflanken eines ionisiert vorliegenden Lichtbogens, in der Regel basierend auf Metalldampf, ein Kaltgasstrom als Zentrumsgas den Lichtbogen umhüllt, wodurch eine Kontraktion des Lichtbogens und eine Lichtbogenformung bewirkt wird. Am Außenumfang dieses Kaltgasstromes wird dieser wiederum, vorzugsweise über eine Ringdüse, mit einem Heißgasstrom koaxial oder konzentrisch umströmt. Aufgrund hoher Viskosität besitzt ein solcher Heißgasstrom als Schutzgasstrom eine besonders hohe Schutzwirkung für den innenliegenden Kaltgasmantel.
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Hierbei wird also die erhöhte Viskosität des Heißgasstromes und des damit trägen Gases benutzt, um eine vergrößerte Schutzabdeckung für das Schmelzebad und der Schweißnaht vor der Atmosphäre einzurichten, wobei diese vergrößerte Schutzabdeckung bis ca. dem 5-fachen eines Durchmessers des Lichtbogen-Fußpunktes betragen kann.
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Auch hier kann das Anströmen wiederum durch eine für diese konzentrischen oder koaxialen Gasströme ausgelegtes Düsensystem des Schweiß- oder Schneidbrenners realisiert werden, alternativ ist eine laterale Hinführung des Heiß- und/oder Kaltgasstromes an den Lichtbogen möglich, wie man es vom Engspaltschweißen kennt.
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Vorzugsweise ist es auch möglich, insbesondere gekühltes Schutzgas als Kühlgasstrom zusätzlich nicht nur brennerseitig dem Lichtbogen zuzuführen, sondern über ein separates Düsensystem auf der Prozessseite des Bauteiles und/oder auf dessen Rückseite mit einem oder mehreren Kaltgasströmen zu beaufschlagen, so dass unmittelbar die Werkstückanordnung im Bereich eines Schmelzebades einer Schweißnaht oder im Bereich einer Schneidnaht gekühlt und die Werkstückanordnung sowie die Wärmeeintragszone rund um den Lichtbogen schockartig abrupt abgekühlt werden. Wird auch die Rückseite der zu schweißenden oder zu schneidenden Werkstückanordnungen mit einem oder mehreren Kaltgasströmen beaufschlagt, treten die vorerläuterten metallurgischen Effekte (Unterdrückung intermetallischer Phasen) nicht nur im Wurzelbereich einer Schweiß- oder Schneidnaht auf, sondern beeinflussen die gesamte Wärmeeintragszone der Werkstückanordnung. Durch die prozessseitige und/oder die auf der Werkstückrückseite erfolgende Schockkühlung durch einen Kaltgasstrom extrem kalten Gases von z. B. minus 40 oder minus 50°C, vorzugsweise entnommen aus einem Wirbelrohr werden Wärmekonzentrationen beim Schweißen oder Schneiden in ihrer Ausdehnung erheblich begrenzt und es können Rekristallisationen von Gefügen in Stahlbauteilen im Bereich der Prozessführung vermieden werden, sodass die Eigenschaften der Ausgangswerkstoffe weitestgehend erhalten bleiben.
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Vorzugsweise lassen sich die Ausbildungen von intermetallischen Phasenbereichen durch abruptes Abkühlen mittels eines oder mehrerer Kaltgasströme, insbesondere auch bei Schweiß- und/oder Schweiß-/Lötverbindungen stoppen, die mittels Lichtbogen, Energiestrahlen wie Laserstrahl oder durch Induktion ausgebildet werden.
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Schließlich kann auch beim klassischen Punktschweißen mit schweißstrombelasteten Presselektroden und bei konduktiven, elektrisch leitfähigen Pressschweißverfahren oder Laser-Wobblnaht oder Laser-Punktschweißen zur Erzeugung von großen Abkühlgradienten für den Erhalt der Werkstoffeigenschaften der zu fügenden Ausgangswerkstoffe die vorgenannten Kaltgasströme einsetzen. Dies kann auch in Verbindung mit der Energiebereitstellung durch freie Energieeinkopplung z. B. über Energiestrahlen wie Laserstrahlen oder Photonen als auch in Verbindung mit induktiven Energieeinkopplungen zur Erreichung der Schweiß- oder Schneidtemperaturen erfolgen.
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Schließlich ist es auch möglich, den Kalt- oder Heißgasstrom mit einer zerstäubten Flüssigkeit für einen besseren Tiefeneinbrand zu vermischen oder unter Einsatz von Kalt- oder Heißgasströmen zu zerstäuben und in die Gasströme einzumischen, wobei als Materialien vorzugsweise Lanthanide und auch Salze wie z. B. NaCl, die eine hohe Elektronenemission bereits bei geringem Energieeintrag aufweisen, als auch Pulver und Nano-Partikel verwendet werden.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 22 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine Doppelgasdüse nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 einen WIG-Schweißbrenner in schematischer Darstellung als ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Konditionierung eines Schweiß- oder Schneidprozesses unter Einwirkung eines Kaltgasstromes,
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3 einen MSG-Schweißbrenner in schematischer Darstellung als ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung eines Schweiß- oder Schneidprozesses unter Einwirkung eines Kaltgasstromes, und
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4 eine Vorrichtung für ein Laserstrahlschweißen (in schematischer Darstellung) zur Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung eines Schweiß- oder Schneidprozesses unter Einwirkung eines Kaltgasstromes.
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1 zeigt schematisch und stark vergrößert eine Schweißvorrichtung mit eine Ringgasdüse als Doppelgasdüse 1 im Schnitt, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Diese bildet einen Brennerkopf 2 eines Schweißbrenners mit einer Elektrode, insbesondere abschmelzende Elektrode 3, zwischen der und einem zu schweißenden Werkstück 8 ein Lichtbogen 4 ausgebildet ist. Als Prozessgas 5, das den Lichtbogen 4 unmittelbar umgibt, ist vorzugsweise Argon vorgesehen und zwar als Kaltgas mit einer Temperatur zwischen +10°C und –50°C, das geeignet ist unmittelbar formgebend, z. B. einschnürend auf den Lichtbogen einzuwirken und auf diese Weise zu einer Konzentration und Erhöhung des Energieeintrages in der Schweißzone führt. Auf diese Weise wird die Schweißnaht schockartig nach ihrer Ausbildung abgekühlt, so dass Martensitbildung ebenso wie die störende Ausbildung innermetallischer Phasen beim Verschweißen unterschiedlicher Materialien weitestgehend vermieden werden.
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Hierzu weist die Doppelgasdüse 1 ein Zuführrohr 6 zur koaxialen Zuführung des kalten Prozessgases 5 auf, das im Bereich eines Vorderendes 6a, das die abschmelzende Elektrode 3, trägt mit Umfangsbohrungen 6b versehen ist, durch die das Prozessgas 5 in einen Zwischenraum zwischen dem Zylinderrohr 6 und einem dieses konzentrisch umgehenden Außenrohres 7 eintritt, um den Lichtbogen formend zu umgeben und unmittelbare eine sofortige Abkühlung des Werkstückes 8 zu bewirken.
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Insbesondere im vorderen Endbereich einer so gebildeten ersten Düse 9 ist, diese konzentrisch und vorzugsweise zur Einstellung eines Düsenspaltes 10 umgebend, ein Düsenkörper 11 vorgesehen, durch den ein zweites Gas 12 als Heiß- oder Stützgas in den Bereich des Lichtbogens 4 in Richtung Werkstück geführt wird, wobei das heiße Gas als Stützgas und Stützatmosphäre für das innere kalte Gas fungiert und einen kegelförmigen Schutzgasmantel 12a ausbildet. Auf diese Weise wird nicht nur die übliche Schutzgasfunktion realisiert, sondern zugleich der Kaltgasmantel um den Lichtbogen stabilisiert und seiner Effizienz der Einwirkung auf Lichtbogen 4 und Werkstück 8 gesteigert.
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Bei dem gezeigten Gas 12 kann es sich ebenso wie bei dem ersten Gas z. B. um Argon handeln, es können aber auch verschiedene Gase wie Argon und Helium und weitere Mischgase zur Anwendung kommen. Ggf. kann das äußere Gas 12 auch ein Schutzgas bei Raumtemperatur ebenso z. B. Druckluft sein, da die Schweißzone der Lichtbogeneinwirkung bereits durch das Kaltgas abgeschirmt wird.
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Vorzugsweise ist der Düsenspalt 10 zwischen einem Außenzylinder 13 der ersten Düse 9 und dem zweiten Düsenkörper, z. B. durch Axialverstellung desselben einstellbar sein und hierdurch auch die Einströmung des zweiten Gases 12 auf das Kaltgas 5 gesteuert werden.
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Vorzugsweise wird das die Lichtbogenformung und Flankenstützung für den Lichtbogen zur „Schärfung” desselben eingesetzte Kaltgas 5 (Prozessgas) durch ein Wirbelrohr 20 (siehe 2) erzeugt, dass zu einer kalten und einer heißen Gasfraktion führt. Auf diese Weise kann auch das zweite, äußere Gas 12 in einem integrierten Prozess genommen werden. In diesem Fall ist also erstes und zweites Gas 12 gleichartig, ohne dass das allerdings zwingend wäre.
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Das Wirbelrohr ist in der schematischen Darstellung in 1 nicht gezeigt. In der Vorrichtung nach 1 ist noch eine dritte Düse 14 vorgesehen, die ebenfalls Kaltgas im vorgenannten Prozessbereich, vorzugsweise im Minustemperaturbereich, insbesondere zwischen –20°C und –40°C gegen eine Unterseite des Werkstückes 3 appliziert, um auf diese Weise Grobkornbildung und die Ausbildung der vorgenannten Gefügestrukturen durch schockartige Abkühlung des Werkstückes zu vermeiden.
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Auch hier kann es sich um ggf. den gleichen, aus einem Wirbelrohr stammenden, Kaltgasstrom handeln, aus dem auch das Kaltgas 5 stammt.
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In einer Umstellung der Betriebführung für die vorerläuterte Vorrichtung kann die Zuführung von Kalt- und/oder Heißgas in den Bereich des Lichtbogens (oder Werkstücks) auch vertauscht werden. Es kann auf diese Weise der heiße Schutzgasmantel um den Lichtbogen gefasst und den Lichtbogen geformt und beeinflusst werden, mit Auswirkungen auf die Ausbildung des Lichtbogens. Eine solche Anordnung hat besondere Vorteile für den stabilen Aufbau des Lichtbogens und das Zünd-(Ionisations-)verhalten der Anordnung.
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Die Vorteile der vorgenannten Vorrichtung seien nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungen nochmals zusammengefasst:
Vorzugsweise wird eine indirekte und auch direkte Einflussnahme auf den Prozess des Schmelzens der Grundwerkstoffe, der Zusatzwerkstoffe bis hin zu einem gesteuerten Abkühlen von Schmelze, Werkstück und Lichtbogen bewirkt.
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Die zu verwendende Technologie besteht aus der spezifischen Anwendung des Wirbelrohres, eingesetzt für die Prozess- und Schutzgase beim Lichtbogenschweißen-/Schneiden und beim Einsatz von Laser-Schweißen und -schneidarbeiten. Hierbei werden vorzugsweise die beim Wirbelrohr auftretenden Temperaturunterschiede eines eingespeisten Prozess- oder Schutzgases direkt genutzt um
- 1. die Funktion des Lichtbogens, seine Ionisationsverhalten in einem angelegten Spannungs-/Stromfeld stabil aufzubauen (heißes Gas).
- 2. Eine Kontraktion des Lichtbogens zu veranlassen durch Anströmen eines „brennenden” Lichtbogens über seine gesamte Länge mit extrem kalten Gas. Die damit sich zwangsläufig einstellende Energiedichtenerhöhung im Lichtbogenfußpunkt bewirkt eine punktuellen Energieeintrag und reduzierte thermische Belastungen der zu fügenden/zu trennenden Grundwerkstoffe. Dieses Anströmen kann durch ein spezielles Düsensystem des Schweiß-/Schneidbrenners erfolgen. Auch kann diese Gas seitlich dem Lichtbogenprozess zugeführt werden.
- 3. Die Kombination von heißem und kalten Gas zu nutzen und dem Lichtbogen über ein Doppelgasdüsensystem diese Gase zuzuführen. Hierbei wird ein inneres, in dem Lichtbogen konzentrisch umströmendes heißes Gas (Zentrumgas) zum provozierten Auslösen des Ionisationsvorganges eingesetzt. Aus einer Ringdüse, diesen inneren Glasfluss umströmend austretendes kaltes Gas kühlt den Lichtbogenkegel, bestehend aus der ionisierten Säule des Zentrumgases und führt zur gewünschten Kontraktion. Dieses Anströmen kann durch ein spezielles Düsensystem des Schweiß-/Schneidbrenners erfolgen. Auch kann diese Gas seitlich dem Lichtbogenprozess zugeführt werden.
- 4. Die Kombination von heißem und kalten Gas zu nutzen und dem Lichtbogen über ein Doppelgasdüsensystem diese Gase zuzuführen. In Abwandelung zu Pkt. 3 werden jetzt die Gasströme umgeschaltet in der Form, dass von einem ionisiert vorliegendem Lichtbogen, i. d. R. basierend auf Metalldampf, kaltes Zentrumgas zum Einsatz kommt, welches die Kontraktion des Lichtbogens bewirkt. Dieses Gas wiederum wird jetzt über die Ringdüse mit heißem Gas umströmt. Hierbei wird die Wirkung der erhöhten Viskosität des heißen (trägen) Gases benutzt, um in einem den Durchmesser des Lichtbogens im Fußpunkt bis zum 5fachen vergrößerte Schutzabdeckung der Schmelz, der Schweißnaht vor der Atmosphäre zu schützen. Dieses Anströmen kann durch ein spezielles Düsensystem des Schweiß-/Schneidbrenners erfolgen. Auch kann dieses Gas seitlich dem Lichtbogenprozess zugeführt werden.
- 5. Des Weiteren ist vorgesehen, den Prozess des Schweißens, Schneidens dahingehend zu beeinflussen, indem insbesondere gekühltes Schutzgas zusätzlich zu den Brennergaskombinationen über ein separates Düsensystem, auf der Prozessseite der Bauteile die Schweiß-/Schneidnaht anspült und die darum liegende WEZ sowie Bauteilgeometrien abrupt abkühlt. Wärmekonzentrationen vom Schweißen, Schneiden werden in ihrer Ausdehnung stark zu begrenzt. Rekristallisationen von Stahlgefügen in den Prozesszonen können vermieden werden; die Eigenschaften der Grundwerkstoffe bleiben weitestgehend erhalten. Für die insbesondere mit Diffusionsprozessen einhergehenden Schweiß- und auch Lötverbindungen mittels Lichtbogen, Laser, Induktion usw. lassen sich die Ausbildungen der intermetallischen Phasenbereiche durch abruptes Abkühlen stoppen.
- 6. Erweiternd zu Pkt. 5 besteht die Möglichkeit, allein als in Kombination mit der technologischen Ausführung zu Pkt. 5 auch die Rückseite der zu schweißenden/schneidenden Bauteil mit kaltem Gas anzuströmen. Die metallurgischen Effekte treten hierbei nicht nur im Wurzelbereich auf, sondern übertragen sich auf die gesamte Wärmeeintragszone der Bauteile.
- 7. Einsatz der insbesondere kalten Gase beim klassischen Punktschweißen mit schweißstrombelasteten Press-Elektroden und bei konduktiven Pressschweißverfahren oder Laser-Wobbl- oder Laser-Punktschweißen zur Erzeugung von großen Abkühlgradienten für den Erhalt von Werkstoffeigenschaften der zu fügenden Grundwerkstoffe.
- 8. Erweiterung von Pkt. 7 hinsichtlich des Einsatzes von konduktiv freier Energieeinkopplung z. B. über energiereiche Strahlen wie Photonen, Elektronen, Laser als auch induktive Energieeinkopplungen.
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Es ist auch möglich die Vorrichtung geschaltet bzw. getaktet auszuführen, also zunächst den ersten inneren Gasstrom 5 als Heißgastrom auszubilden (unter vergleichsweise zeitverzögerter Zuschaltung des zunächst nicht benötigten, zweiten, äußeren Gasstromes) und auf diese Weise das Zündverhalten der Vorrichtung und die Ausbildung eines stabilen Lichtbogens 4 zu unterstützen, während nach Inbetriebnahme umgeschaltet und als „Innengas” der Kaltgasstrom zur Einwirkung auf die Flanken des Lichtbogens gebracht wird und das Heißgas und/oder „Nicht-Kaltgas” 12 den äußeren Schutzmantel ausbildet.
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Die 2 zeigt in schematischer Darstellung den Einsatz einer Doppelgasdüse bei einem WIG-Schweißbrenner. Das zweite Gas (Schutzgas) ist hierbei nicht dargestellt. Auch hier wird eine Schmelzzone 15 und Wurzel der Schweißnaht durch Kühlung mit Kaltgas, erzeugt aus einem Wirbelrohr 20, gekühlt. Ein Brennerkopf des Schweißbrenners ist mit 2 bezeichnet. Die eingesetzte Doppelgasdüse folgt dem anhand von 1 erläuterten, konstruktiven Aufbau. In diesem Fall wird eine nicht-abschmelzende Wolframelektrode 3a verwendet.
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3 zeigt schematisch einen MSG-Schweißbrenner mit eingesetzter Doppelgasdüse 1.
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Über eine Antriebsrolle 16 wird ein Schweißdraht 3 zugeführt. Im Inneren einer Schutzgasdüse 18 ist eine Prozessgas-, insbesondere Kaltgasdüse 19 angeordnet. Auch hier wird zusätzlich eine aus einem Wirbelrohr stammende Kaltgaskühlung von Nahtwurzel und Schweißbad bzw. Werkstück vorgesehen.
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Auch hier ist eine Doppelgasdüse 1 des vorbeschriebenen Aufbaus, gespeist mit Gas, das durch ein Wirbelrohr 20 temperiert wird (Kaltgas/Heißgas) eingesetzt.
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Schließlich zeigt 4 eine Applikation der Erfindung auf das Laserstrahl-Schweißen oder -Schneiden, das in einer Kaltgasatmosphäre für Wärmeleitschweißen (a) und Tiefschweißen (b) ebenfalls möglich ist.
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Auch hier wird nicht nur kaltes Prozessgas zunächst am Einwirkungsort des Laserstrahles auf das Werkstück zur Einwirkung gebracht (vorzugsweise erfolgt das in einem hier nicht dargestellten Düsenkörper koaxial), sondern es wird wieder das Werkstück im Einwirkungsbereich des Laserstrahles mit Kaltgas aus einem Wirbelrohr von unten gekühlt. Auch das als Prozessgas angewandte Kaltgas wird vorzugsweise durch ein Wirbelrohr 20 genommen.
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In allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen kann vorzugsweise in dem Kaltgasstrom eine Flüssigkeit oder Pulver oder Nano-Partikel mit dem Kaltgasstrom zerstäubt oder zerstäubt und vermischt sein, z. B. Lanthanide oder Salze, wie NaCl zur Verbesserung eines Tiefeneinbrands. Ein mit dem Wirbelrohr steuerbar kommunizierend verbundener Behälter mit z. B. einer Kochsalzlösung in Verbindung mit einer Steuereinrichtung ermöglicht die gezielte Einbringung von Flüssigkeit wie Lanthaniden in den Kaltgasstrom (oder auch Heißgasstrom), der in dem Wirbelrohr 16 erzeugt wird. Im Heißgasstrom werden so indirekt metallische Diffusionsprozesse zwischen den Werkstoffen in Abhängigkeit von der Löslichkeit der Werkstoffe im flüssigen und festen Zustand befördert.
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Durch die Erfindung lassen sich höhere Schweißtemperaturen erreichen, und es wird die Schweißbarkeit schwer schweißbarer Werkstoffe und Werkstoffkombinationen verbessert. Die Flankenbeeinflussung des Lichtbogens mit Kaltgas tieferer Temperaturen (bis hin zu –80'°C) erhöht auch die Standzeit der Düsenspitzen von Schweißbrennern und gestattet eine Formgebung des Lichtbogens zur Erhöhung des Energieeintrages. Das Kaltgas kann mit zugleich einem als Schutzgas verwendbaren Heißgas durch ein Wirbelrohr kostengünstig und verlustfrei erzeugt werden.
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Es sei auch auf die Anwendung einer Kaltgasatmosphäre auf das Schneiden oder Schweißen mit Laserstrahlen ausdrücklich hingewiesen.
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Wie auch beim Laserschweißen oder -schneiden ist hierdurch eine ummittelbare Wärmeableitung aus der Schweiß- oder Schneidzone und damit die Vermeidung nachträglicher Gefüge-Grobkornbildung, auch in Verbindung mit einer zusätzlichen Kaltgaskühlung des Schneid- oder Schweißbereiches von einer Unterseite des Werkstückes her möglich.
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Das Kaltgas kann auch seitlich in den Einwirkungsbereich des Laserstrahles auf das Werkstück eingeströmt werden.
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In gleicher Weise ist die Erfindung (Kaltgaseinsatz) auf Verbindungsverfahren anwendbar, die auf induktive Erwärmung (Hochfrequenzschweißen) oder Pressschweißen beruhen.
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Auch Oberflächenmodifikationsverfahren, wie Härteverfahren die auf induktiver Erwärmung durch Hochfrequenzspulen beruhen, können durch zusätzlichen Einsatz eines Kaltgasstromes in Temperaturbereich von ca. +10°C–-80°C hinsichtlich der Gefügeeigenschaften vorteilhaft und örtlich gezielt, z. B. zur Bereitstellung eines bestimmten Härteprofiles, beeinflusst werden. Das Heißgas hat vorzugsweise eine Temperatur bis zu ca. 150°C.
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In den vorerläuterten Ausführungsbeispielen ist das zugeführte Gas vorzugsweise nur eine Gassorte, z. B. Argon. Es können aber auch unterschiedliche Gase, z. B. Argon und Helium und weitere auch stark reaktive Gasgemische zum Einsatz kommen. Wichtig ist, dass mit unterschiedlichen Temperaturen des „Innengases” und „Außengases” gearbeitet wird. Innen soll bevorzugt das Kaltgas strömen, außen vorzugsweise das heiße Gas. „Hergestellt” wird die Temperaturverteilung vorzugsweise über ein Wirbelrohr 20.
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Da das „innere Gas” vorzugsweise nicht zur Abschirmung von Schmelze und Schweißnaht gegenüber der Umgebungsluft dient, sondern vielmehr den Lichtbogen an seinen Flanken kühlt und ihn somit zum Kontrahieren veranlasst (insoweit auch unmittelbar auf den Prozess Einfluss nimmt) kann dies auch als Prozessgas bezeichnet werden.
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Eine Abschirmwirkung gegenüber der Umgebungsatmosphäre ist hierbei nicht ausgeschlossen. Das vorzugsweise heiße, äußere Gas dient hauptsächlich als Schutzgas. Es hat abschirmende Wirkung gegenüber der Umgebungsatmosphäre, wobei ein Einfluss auf die Formgebung des Lichtbogens gering sein dürfte. Eine Besonderheit heißer Gase ist aber deren Zähigkeit und Volumenzunahme, woraus Vorteile hinsichtlich seiner Abschirmwirkung resultieren.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es, das eingesetzte Prozess- bzw. Schutzgas praktisch vollständig oder restlos prozesswirksam zu nutzen. Obwohl in den vorliegenden Ausführungsbeispielen die Kalt- bzw. Heißgaszufuhr anhand der Verwendung einer Doppelgasdüse 1 (auch als Ringgasdüse bezeichnet) wie in 1 gezeigt, erläutert wurde, kann an Stelle dessen auch eine konventionelle Gasdüse Verwendung finden, der ein Kaltgasstrom oder Heißgasstrom als Prozess- und/oder Schutzgas zugeführt ist.
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Es ist auch möglich eine Düse mit umschaltbaren Gasströmen zu verwenden, und einer vereinfachten Düsengestaltung jeweils alternativ ein Heiß- oder Kaltgasstrom zuzuführen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also eine Mehrzahl unterschiedlich temperierter Gasströme, insbesondere ein Kalt- und/oder Heißgasstrom einer das Prozess- und/oder Schutzgas zum Schweiß- oder Schneidort führenden Düse gleichzeitig oder alternativ, z. B. schaltbar wechselweise, zugeführt, wobei der jeweilige Gasstrom vorzugsweise einem Wirbelrohr als Quelle entnommen wird.
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Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt ein Wirbelrohr, dem Edelgas oder Gasgemische bei Raumtemperatur zugeführt werden, als Gasquelle für die Erzeugung des Kalt- und/oder Heißgasstromes verwendet. Diese Gaszufuhr bei Raumtemperatur wird hierbei nicht als,temperiertes” Gas im Sinne der vorliegenden Anmeldung verstanden. Der „temperierte” Kalt- oder Heißgasstrom hat Temperaturen unter bzw. über der „Original”- oder Raumtemperatur. Anstelle des Wirbelrohres können auch andere Gasquellen zur Bereitstellung von Heiß- und/oder Kaltgasstrom zum Einsatz kommen bzw. einfach eine Kälte- bzw. Erwärmungseinrichtung verwendet werden, zur Temperierung (Kühlung oder Erwärmung) des Gases/der Gase für seine/ihre Verwendung im Schweiß- oder Schneidprozess.
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Die Erfindung ist in weitem Rahmen in Verbindung mit Schweiß- oder Schneidprozessen anwendbar.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung eines Schweiß- oder Schneidprozesses, wobei durch Einwirkung eines temperierten Gasstromes, insbesondere eines Kalt- oder Heißgasstromes Prozessparameter des Schweiß- oder Schneidprozesses insbesondere eine Lichtbogenausbildung und ein Temperaturfeld des Prozesses, wie auch Werkstückparameter beeinflusst werden, insbesondere durch Kaltgaseinwirkung eine fokussierende Einschnürung des Lichtbogens sowie eine nachteilige Gefügeveränderungen im Werkstück unterbindende Prozessverbesserung erreicht wird. Vorzugsweise erfolgt dies unter Einsatz einer Doppelgas- oder Ringgasdüse.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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