DE102013217317A1

DE102013217317A1 - Schweißkopf

Info

Publication number: DE102013217317A1
Application number: DE201310217317
Authority: DE
Inventors: Heinz-Ingo Schneider; Christian Werner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Der Schweißkopf weist eine Drahtführung für eine abschmelzende Drahtelektrode sowie einen Schwingungserreger auf. Der Schwingungserreger ist zur Schwingungserregung einer mittels der Drahtführung geführten Drahtelektrode ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schweißkopf.
In der Schweißtechnik und insbesondere beim Metallschutzgas-Schweißen (MSG-Schweißen) mit abschmelzender Drahtelektrode erfolgt abhängig von einer gewählten Schweißstromkennlinie ein Abtropfen des schmelzflüssigen Drahtes. Dabei stellt es eine Herausforderung dar, das Ablösen des Tropfens und dessen Übergang in das Schmelzbad gezielt zu bewerkstelligen. Insbesondere bei mit einem Kurzschluss behafteten Lichtbogenarten (Kurzlichtbogen, Übergangslichtbogen) resultiert das Auflösen des Kurzschlusses in starker Spritzerbildung. Besonders beim Schweißen mittels des Metallschutzgas-Verfahrens in Zwangspositionen oder bei der Schweißung dünner Blechverbindungen ist dieser Umstand problematisch.
Es ist bekannt, dieser Problematik derart zu begegnen, dass das Ablösen des Tropfens und dessen Übergang in das Schmelzbad mittels einer gezielten Variation des an der Schweißelektrode anliegenden Stromes, der Spannung oder deren zeitlicher Veränderung zu kontrollieren.
Es ist ferner bekannt, die abschmelzende Drahtelektrode mechanisch gesteuert ruckartig zurückzuziehen, wobei der an der Elektrode anliegende Strom konstant gehalten wird. Hierbei handelt es sich um das sogenannte CMT-Verfahren, welches vom Unternehmen Fronius bekannt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schweißkopf anzugeben, mit welchem das gezielte Ablösen des Tropfens und dessen Übergang in das Schmelzbad auf alternative Weise erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Schweißkopf mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Der erfindungsgemäße Schweißkopf umfasst eine Drahtführung für eine abschmelzende Drahtelektrode sowie einen Schwingungserreger, welcher zur Schwingungserregung einer mittels der Drahtführung geführten Drahtelektrode ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise ist der Schwingungserreger derart ausgebildet und angeordnet, dass nicht oder nicht allein eine Erregung einer Schwingung der Drahtelektrode in Richtung ihrer Längserstreckung erfolgt.
Die mittels des Schwingungserregers eingeleitete Schwingung der Drahtelektrode führt zur Schwingung der Drahtelektrode in der Prozesszone. Hierbei wird abschmelzendes Material der Drahtelektrode durch die Relativbewegung der Drahtelektrode relativ zum Schmelzbad abgelöst. Im Kurzschlussbereich beim Übergang in das Schmelzbad erfolgt hierdurch eine beschleunigte Kurzschlussauflösung und damit eine Stabilisierung des Schweißvorgangs. Die durch den Schwingungserreger ausgeübten Frequenzen und Amplituden erzeugen Auslenkungen der Drahtelektrode in Abhängigkeit von der Einleitungsrichtung des Schwingungserregers. Hierdurch wir die Tropfenablösung unterstützt und ein gleichmäßiger Übergang in das Schmelzbad kontrolliert ermöglicht. Vorteilhaft können mit dem erfindungsgemäßen Schweißkopf sämtliche bekannten Schweißstromkennlinien genutzt werden (etwa Pulslichtbogen, Standard-Lichtbogen, Kurzlichtbogen sowie elektronisch modifizierte Lichtbögen). Vorteilhaft wird ferner die Schmelzbaddynamik geeignet beeinflusst. Insbesondere kann mittels des erfindungsgemäßen Schweißkopfs eine Beruhigung des Schmelzbades erfolgen. Es ist mittels des erfindungsgemäßen Schweißkopfs eine hohe Schweißnahtgüte insbesondere in sämtlichen zu schweißenden Zwangspositionen möglich. Vorteilhaft lässt sich der erfindungsgemäße Schweißkopf für alle schmelzschweißbaren Schweißmaterialien einsetzen. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Schweißkopf für Standard-Schmelzschweißprozesse als auch für Engspaltschweißprozesse genutzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schweißkopfs ist der Schwingungserreger mit der Drahtführung schwingungsgekoppelt. Auf diese Weise lässt sich eine Schwingungserregung der mittels der Drahtführung geführten Drahtelektrode besonders leicht bewerkstelligen. Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Schweißkopf die Drahtführung eine Andruckrolle oder die Drahtführung weist eine Andruckrolle auf. In eine solche Andruckrolle kann eine Einleitung einer mittels des Schwingungserregers erregten Schwingung besonders leicht erfolgen. Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Schweißkopf der Schwingungserreger eine Ultraschallsonotrode, ein mechanischer Exzenterschwinger oder ein elektromagnetischer Vibrator oder aber der Schwingungserreger weist eine oder mehrere oder sämtliche der vorgenannten Vorrichtungen auf. Vorteilhaft ist bei einem solchen Schwingungserreger die Einleitung der Schwingung nicht auf eine Richtung in Längserstreckung der Drahtelektrode beschränkt. In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schweißkopfs ist der Schwingungserreger zur Anregung der Schwingung mit einer Frequenz von mindestens 1 Hz und höchstens 100 KHz ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich ist bei dem erfindungsgemäßen Schweißkopf der Schwingungserreger zur Erregung der Schwingung mit einer Amplitude von mindestens 2 µm und/oder höchstens 2 mm ausgebildet.
Idealerweise ist der erfindungsgemäße Schweißkopf ein Engspalt-Schweißkopf.
Die vorgenannten bevorzugten Frequenz- und Amplitudenbereiche sind zweckmäßig an den Durchmesser und an die bevorzugte freie Drahtlänge der Drahtelektrode angepasst. Insbesondere bei einem Schwingungserreger in Gestalt einer Ultraschallsonotrode resultiert während des Schweißprozesses mittels des erfindungsgemäßen Schweißkopfs zusätzlich eine Kavitationswirkung: Hierdurch ist eine verbesserte Anbindung des Schmelzbades an den Grundwerkstoff (ähnlich wie bei Lötprozessen mit Ultraschallunterstützung) ermöglicht.
Ferner resultiert bei hochfrequenter Anregung eine Reinigung (wie in einem Ultraschallbad) von Verunreinigungen, beispielsweise Oxidschichten und Fremdpartikeln.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Engspalt-Schweißkopf mit einem Schwingungserreger in Gestalt einer Ultraschallsonotrode und einer Drahtführung in Gestalt einer Andruckrolle schematisch in einer perspektivischen Darstellung,
2 den Engspalt-Schweißkopf gemäß 1 in einer schematischen Darstellung im Längsschnitt und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Engspalt-Schweißkopf in einer schematischen Darstellung im Längsschnitt.
Der in den 1 und 2 dargestellte Engspalt-Schweißkopf 1 nutzt in an sich bekannter Weise eine Drahtelektrode 5, die mittels einer Andruckrolle 10 geführt ist und durch eine Schutzgasdüse 15 aus dem Schweißkopf 1 herausgeführt ist. Die Andruckrolle 10 weist eine zylindersymmetrische Gestalt um eine Längsachse L der Andruckrolle 10 auf. Die Drahtelektrode 5 ist entlang einer umfänglichen Nut 20 an einem Längsendbereich 25 der Andruckrolle 10 geführt. An einem dem Längsendbereich 25 fernen Längsende der Andruckrolle 10 ist eine Ultraschallsonotrode 30 in Richtung der Längsachse L angebunden. Die Ultraschallsonotrode 30 weist zwei Anschlüsse 35, 40 zur Speisung mit einer Steuerspannung auf. Die Ultraschallsonotrode 30 ist zur Schwingungserregung der Andruckrolle 10 in Richtungen der Längsachse L ausgebildet.
Mittels der Ultraschallsonotrode 30 wird daher die Drahtelektrode 5 zu Schwingungen in Richtungen entlang der Längsachse L, und somit senkrecht zur Längserstreckung der Drahtelektrode 5 angeregt. Die erregten Schwingungen haben dabei im Bereich der Nut 20 eine Amplitude von 2 µm. In einem nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem Dargestellten entspricht, ist die Ultraschallsonotrode zur Erregung von Schwingungen mit einer Amplitude von 2 mm ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ultraschallsonotrode 30 zur Erregung von Schwingungen mit einer Frequenz von 100KHz ausgebildet. In einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ultraschallsonotrode 30 zur Erregung von Schwingungen mit einer Frequenz von 100 Hz ausgebildet.
In einem weiteren, in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drahtelektrode 5 in an sich bekannter Weise durch eine Schutzgaszuleitung 45 geführt. Im Gegensatz zum zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ist die Schwingungserregung der Drahtelektrode 5 nicht mittels einer Ultraschallsonotrode, sondern mittels eines elektromagnetischen Vibrators 50 bewerkstelligt. Die Schutzgaszuleitung 45 ist dazu an den elektromagnetischen Vibrator 50 schwingungsgekoppelt angebunden. Im Übrigen entspricht das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen.
In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen den dargestellten Ausführungsbeispielen entsprechen, ist anstelle einer Ultraschallsonotrode oder eines elektromagnetischen Vibrators jeweils ein mechanischer Exzenterschwinger vorhanden und zur Erregung von Schwingungen der Drahtelektrode 5 angeordnet.

Claims

Schweißkopf, aufweisend eine Drahtführung für eine abschmelzende Drahtelektrode (5), sowie einen Schwingungserreger (30; 50), welcher zur Schwingungserregung einer mittels der Drahtführung geführten Drahtelektrode (5) ausgebildet ist.
Schweißkopf nach Anspruch 1, bei welchem der Schwingungserreger (30; 50) zur Schwingungserregung der Drahtelektrode (5) zumindest in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung der Drahtelektrode (5) ausgebildet und angeordnet ist.
Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schwingungserreger (30; 50) mit der Drahtführung (20; 45) schwingungsgekoppelt ist.
Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Drahtführung eine Andruckrolle (10) ist oder eine Andruckrolle (10) aufweist.
Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schwingungserreger (30; 50) zur Erregung von Schwingungen mit einer Frequenz von mindestens 1 Hz und/oder höchstens 100 KHz ausgebildet ist.
Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schwingungserreger (30; 50) zur Erregung von Schwingungen mit einer Amplitude von mindestens 2 µm und/oder höchstens 2 mm ausgebildet ist.
Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schwingungserreger (30; 50) eine Ultraschallsonotrode (30) oder ein mechanischer Exzenterschwinger oder ein elektromagnetischer Vibrator ist oder eine Ultraschallsonotrode und/oder einen mechanischen Exzenterschwinger und/oder einen elektromagnetischen Vibrator (50) aufweist.
Schweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ein Engspalt-Schweißkopf (1) ist.