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Die Erfindung betrifft einen Schweißbrenner mit Führungsmitteln zum potentialfreien Führen eines drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffs, ein Schweißgerät mit einem derartigen Schweißbrenner, ein entsprechendes Schweißverfahren sowie die entsprechende Verwendung eines Prozessgases.
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Stand der Technik
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Dem Fachmann sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Schweißverfahren bekannt, die sich jeweils für bestimmte schweißtechnische Aufgaben in besonderer Weise eignen. Eine Übersicht geben beispielsweise Dilthey, U.: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1: Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Aufl. Heidelberg: Springer, 2006 oder Davies, A. C.: The Science and Practice of Welding. 10. Aufl. Cambridge: Cambridge University Press, 1993.
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Beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen, engl. Tungsten Gas Welding, TIG) brennt ein Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück. Das Werkstück wird hierdurch aufgeschmolzen. Zum Schutz der Wolframelektrode und des sich ausbildenden Schmelzbads vor Oxidation wird ein geeignetes Schutzgas eingesetzt, das die Wolframelektrode und das Schmelzbad abdeckt. Je nach Strombelastung werden bei WIG-Verfahren Wolframelektroden mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt, die typischerweise bleistiftförmig angespitzt sind. Diese enthalten üblicherweise Zulegierungen von Seltenerdoxiden zur Senkung der Elektronenaustrittsarbeit, wodurch die Zündung des Lichtbogens erleichtert und dessen Stabilität erhöht wird. Beim WIG-Schweißen wird typischerweise in inerter, seltener in reduzierender Atmosphäre gearbeitet.
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Durch WIG-Verfahren lässt sich typischerweise eine sehr hohe Schweißqualität erreichen, sie sind jedoch nicht beliebig automatisierbar und ermöglichen insbesondere im Vergleich zu den nachfolgend erläuterten Verfahren nur eine vergleichsweise geringe Produktivität aufgrund der geringeren Schweißgeschwindigkeit.
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Beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG, engl. Gas Metal Arc Welding, GMAW) wird dem Schweißbrenner eine Drahtelektrode, die damit auch gleichzeitig einen Schweißzusatzwerkstoff bildet, kontinuierlich zugeführt und in einem Lichtbogen abgeschmolzen. Es wird ebenfalls ein Schutzgas verwendet. Je nach Art des Schutzgases unterscheidet der Fachmann zwischen Metall-Inertgasschweißen (MIG, engl. Metal Inert Gas Welding) und Metall-Aktivgasschweißen (MAG, engl. Metal Active Gas Welding). Die grundlegenden Verfahrensprinzipien gleichen einander. Typischerweise werden einem MSG-Brenner der Schweißstrom, die Drahtelektrode, das Schutzgas und ggf. erforderliches Kühlwasser durch ein Schlauchpaket zugeführt.
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MSG-Verfahren erlauben eine hohe Schweißgeschwindigkeit und damit eine überlegene Produktivität im Vergleich zu WIG-Verfahren. Die Automatisierbarkeit von MSG-Verfahren ist ausgesprochen hoch. Nachteilig an der Verwendung des direkt im Lichtbogen erhitzten, aufgeschmolzenen und verdampften Zusatzwerkstoffs ist die wesentlich höhere Emission von Partikeln im Vergleich zu WIG-Verfahren. Die mit MSG-Verfahren erzielbare Schweißqualität wird im Vergleich zu WIG-Verfahren häufig als geringer angesehen.
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Im Gegensatz zu den genannten Verfahren, bei denen der Lichtbogen frei brennt, wird dieser bei den ebenfalls bekannten Plasmaschweißverfahren eingeschnürt, wofür i. d. R. wassergekühlte Kupferdüsen zum Einsatz kommen. Dies führt zu einer Verringerung des Lichtbogenquerschnitts. Beim Plasmaschweißen kann ebenfalls mit einer nicht abschmelzenden oder mit einer abschmelzenden Elektrode gearbeitet werden. Die zur Bildung eines Plasmas erforderlichen Ladungsträger werden von einem inerten Plasmagas (Argon oder Gemischen aus Argon, Helium und/oder Wasserstoff) geliefert.
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Beim Plasmaschweißen mit nicht abschmelzender Elektrode kann ein Lichtbogen innerhalb des Schweißbrenners und/oder zwischen dem Schweißbrenner und dem Werkstück ausgebildet werden (sogenannter ”nicht übertragener” bzw. ”übertragener” Lichtbogen). Man unterscheidet zwischen Plasmastrahlschweißen (WPS, nicht übertragener Lichtbogen), Plasmalichtbogenschweißen (WPL, übertragener Lichtbogen) und dem kombinierten Plasmastrahl-Plasmalichtbogenschweißen (WPSL, sowohl nicht übertragener als auch übertragener Lichtbogen).
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Beim sogenannten Plasma-MIG-Schweißen wird eine abschmelzende Elektrode eingesetzt und ein Plasmalichtbogen zwischen einer Plasmagasdüse und dem bearbeiteten Werkstück gezündet. Der Plasmalichtbogen wird mittels einer sogenannten Fokussiergasdüse und unter Verwendung eines entsprechenden Fokussiergases eingeschnürt. Die Plasmagasdüse, die Fokussiergasdüse und die ebenfalls vorhandene Schutzgasdüse sind koaxial angeordnet. Die wie bei herkömmlichen MSG-Verfahren eingesetzte abschmelzende Drahtelektrode wird zentrisch zugeführt. Sowohl die Plasmagasdüse als auch die Drahtelektrode liegen auf positivem Potential und werden üblicherweise von getrennten Stromquellen gespeist.
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Die genannten Plasmaverfahren leiden grundsätzlich unter denselben Nachteilen wie die oben erläuterten WIG- und MSG-Verfahren. Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen bei den genannten Schweißverfahren.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung einen Schweißbrenner mit Führungsmitteln zum potentialfreien Führen eines drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffs, ein Schweißgerät mit einem derartigen Schweißbrenner, ein entsprechendes Schweißverfahren sowie die Verwendung eines Prozessgases mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht von einem an sich bekannten Schweißbrenner mit Führungsmitteln aus, die dazu ausgebildet sind, einen drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoff zumindest in einem Abschnitt des Schweißbrenners mechanisch entlang einer Achse zu führen. Ein derartiger Schweißbrenner verfügt typischerweise über einen Schweißstromanschluss, der mit einem zur Stromführung eingerichteten Element des Schweißbrenners verbunden ist.
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Wie bereits eingangs erläutert, ist in herkömmlichen Schweißbrennern für MSG-Verfahren das zur Stromführung eingerichtete Element des Schweißbrenners der Schweißzusatzwerkstoff. Der Schweißzusatzwerkstoff wird also in MSG-Verfahren mit dem verwendeten Schweißstrom beaufschlagt. Zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Werkstück wird ein Lichtbogen ausgebildet. In den ebenfalls erläuterten WIG-Verfahren ist die Wolframelektrode das zur Stromführung eingerichtete Element. Ein Schweißzusatzwerkstoff muss dort, falls verwendet, extern zugeführt werden. In beiden Verfahren ergeben sich die zuvor erläuterten Nachteile, die mittels der Erfindung, wie sie nachfolgend erläutert wird, überwunden werden.
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Erfindungsgemäß weist der Schweißbrenner wenigstens eine Elektrodenanordnung auf, die die erläuterte Achse, entlang derer der drahtförmige Schweißzusatzwerkstoff mittels der Führungsmittel geführt wird, koaxial umgibt. Diese Elektrodenanordnung weist eine Anzahl von Elektroden auf, die als die zur Stromführung eingerichteten Elemente ausgebildet und als solche mit dem Schweißstromanschluss verbindbar sind. Vorzugsweise sind die Elektroden der Elektrodenanordnung dabei die einzigen zur Stromführung eingerichteten Elemente des Schweißbrenners. Der Schweißzusatzwerkstoff ist damit nicht mit der Stromquelle verbunden und ist während eines entsprechenden Schweißverfahrens potentialfrei. Der erfindungsgemäße Schweißbrenner zeichnet sich damit auch dadurch aus, dass die erläuterten Führungsmittel zum potentialfreien Führen des drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffs ausgebildet sind. Ein Schweißbrenner, bei dem Elektroden einer Elektrodenanordnung mit wenigstens einen Schweißstromanschluss ”verbindbar” sind, weist entsprechende Schaltmittel auf.
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Eine ”Elektrodenanordnung”, die eine ”Anzahl an Elektroden” aufweist, kann insbesondere als kreisförmiger Kranz von Elektroden ausgebildet sein, der beispielsweise 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Elektroden umfasst, die jeweils, wie bei den eingangs erwähnten Elektroden der WIG-Verfahren, bleistiftartig zugespitzt sind und aus einem entsprechenden Material, wie unten noch im Detail erläutert, bestehen. Die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung können dabei in einer entsprechenden ringförmigen Elektrodenhalterung gehaltert sein, die ebenfalls die erläuterte Achse, entlang derer der drahtförmige Schweißzusatzwerkstoff mittels der Führungsmittel geführt wird, koaxial umgibt. Zwischen einer entsprechenden Elektrodenhalterung und den Führungsmitteln für den Schweißzusatzwerkstoff, beispielsweise einer Führungshülse, kann, wie ebenfalls unten noch erläutert, ein ringförmiger Kanal für ein Prozessgas ausgebildet sein. Die Elektrodenhalterung kann auch dazu ausgebildet sein, den Schweißstrom an die Elektroden zu übertragen. Zur verbesserten Wartbarkeit kann eine entsprechende Elektrodenhalterung dazu ausgebildet sein, die Elektroden der Elektrodenhalterung reversibel aufzunehmen, beispielsweise durch geeignete Steck-, Bajonett- oder Schraubverbindungen.
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Als Schweißzusatzwerkstoffe können sämtliche Werkstoffe eingesetzt werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Bekannte Schweißzusatzwerkstoffe werden als Drähte mit Durchmessern zwischen 0,6 und 2,4 mm bereitgestellt. Entsprechende Materialien können beispielsweise Lichtbogenstabilisatoren, Schlackenbildner und Legierungselemente umfassen, die einen ruhigen Schweißprozess begünstigen, zu einem vorteilhaften Schutz der erstarrenden Schweißnaht beitragen und die mechanische Güte der erzeugten Schweißnaht beeinflussen. Zusatzwerkstoffe können als massive Drähte oder sogenannte Fülldrähte eingesetzt werden, wie sie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Die vorliegende Erfindung vereinigt aufgrund der vorgeschlagenen Maßnahmen die jeweiligen Vorteile des MSG- und des WIG-Verfahrens. insbesondere kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Schweißbrenners die hohe Produktivität bzw. Schweißgeschwindigkeit der MSG-Verfahren erzielt werden. Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz des erfindungsgemäßen Schweißbrenners die hohe Schweißqualität der WIG-Verfahren. Weil im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Schweißzusatzwerkstoff nicht mit dem Schweißstrom beaufschlagt wird, ergibt sich eine gegenüber bekannten MSG-Verfahren deutlich reduzierte Emission von Partikeln. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Schweißzusatzwerkstoff im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht direkt im Lichtbogen erhitzt, aufgeschmolzen und verdampft sondern vergleichsweise sanft verflüssigt wird.
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Mit anderen Worten schafft die vorliegende Erfindung eine Fügetechnologie, die die Abschmelzleistung und die Automatisierbarkeit bekannter MSG-Verfahren erreicht, zugleich aber die geringen Emissionen und die hohe Schweißqualität eines WIG- bzw. Plasmaverfahrens aufweist.
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Durch die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen können insbesondere auch Plasmaverfahren besonders einfach und kostengünstig mit den erläuterten Vorteilen realisiert werden, wie unten erläutert.
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Die Erfindung kann mit unterschiedlichen Schweißstromkonfigurationen verwendet werden. Bekanntermaßen werden die meisten Metalle bei WIG-Verfahren mit Gleichstrom und minusgepolter Elektrode geschweißt. Beispielsweise bei Aluminium- und Magnesiumlegierungen, die niedrige Schmelzpunkte aufweisen und gleichzeitig dichte, schwer schmelzbare Oxidhäute bilden, ist dies jedoch nicht möglich. Diese Werkstoffe werden i. d. R. mit Wechselstrom geschweißt, wobei die negativen Stromanteile zur thermischen Entlastung der Elektrode genutzt werden. Zur Neuzündung des Lichtbogens können dabei kurzzeitige Spannungsspitzen nach jedem Nulldurchgang oder eine hochfrequente Hochspannung eingesetzt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können insbesondere auch sich in ihrer Zusammensetzung oder in ihrem Volumenstrom verändernde Prozessgasströme zum Einsatz kommen. Die Veränderung kann beispielsweise in Form eines Pulsierens des gesamten Prozessgases oder einer Komponente hiervon mit einer vorgegebenen Frequenz erfolgen, wie beispielsweise in der
EP 2 277 655 A1 für das Plasmastichlochschweißen beschrieben. Die Veränderung der Zusammensetzung oder des Volumenstroms oder beispielsweise auch die Frequenz eines Pulsierens kann, wie dort beschrieben, in Abhängigkeit von wenigstens einer Randbedingung des Schweißvorgangs eingestellt werden. Diese Erläuterungen betreffen sämtliche Prozessgasströme, beispielsweise Plasmagas, Fokussiergas und/oder Schutzgas.
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Die vorliegende Erfindung bietet insbesondere auch Vorteile gegenüber bekannten Verfahren, die eine Hohlelektrode verwenden, beispielsweise gegenüber WIG-Verfahren mit Hohlelektroden, die als Nischenanwendungen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. In derartigen Anwendungen wird der Zusatzwerkstoff extern zugeführt. Der Schweißbrenner kann daher nur erschwert um seine Längsachse rotiert werden, was die Flexibilität eines derartigen Verfahrens und dessen Automatisierbarkeit deutlich einschränkt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann auch vorgesehen sein, die Elektroden selektiv mit den Schweißstromanschluss zu verbinden. Dies umfasst beispielsweise, nacheinander zyklisch die Elektroden der Elektrodenanordnung mit dem Schweißstrom zu verbinden. Dies ermöglicht es, den Lichtbogen um den Umfang der Elektrodenanrodnung bzw. gegenüber dem Werkstück rotieren zu lassen, was ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders prozessstabil macht. Die Frequenz der Rotation kann je nach Bedarf eingestellt werden.
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Alternativ dazu kann beispielsweise auch abwechselnd eine erste und eine zweite Gruppe der Elektroden der Elektrodenanordnung mit dem Schweißstrom beaufschlagt werden. Dies kann beispielsweise in Form bestimmter Muster erfolgen, wie auch unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Beispielsweise können auch abwechselnd nur ein Teil und sämtliche Elektroden der Elektrodenanordnung mit dem Schweißstrom beaufschlagt werden. Hierdurch kann ein pulsierender Effekt erzielt werden, der den Schweißprozess und die Lichtbogenausbildung stabilisiert. Zum Zünden des jeweiligen Lichtbogens beim ”Zuschalten” einer oder mehrerer Elektroden der Elektrodenanordnung können auch hier kurzzeitige Spannungsspitzen oder eine hochfrequente Hochspannung eingesetzt werden.
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Auch gegenüber den bekannten Plasma-MSG-Verfahren oder ebenfalls bekannten Plasma-Laser-Hybridverfahren, die mit einer Hohlelektrode verwendet werden können, ist die Erfindung vorteilhaft, weil hier der Schweißzusatzwerkstoff nicht mit einem Schweißstrom beaufschlagt wird und es daher zu verringerten Emissionen kommt.
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Der erfindungsgemäße Schweißbrenner kann mit einer Elektrodenanordnung ausgebildet werden, deren Elektroden gegenüber der mehrfach erwähnten Achse geneigt sind. Beispielsweise können die Elektroden in Richtung der Spitze bzw. des distalen Endes des Schweißbrenners nach innen geneigt sein, so dass die Form des Schweißbrenners beispielsweise einer weiteren koaxial außenliegenden Gasdüse angepasst werdenkann, wodurch sich geometrisch besonders günstige Konfigurationen ergeben.
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Wie bereits zuvor erläutert, sind die Elektroden der Elektrodenanordnung im Rahmen der vorliegenden Erfindung als nicht abschmelzende Elektroden ausgebildet. Als Material für derartige Elektroden können sämtliche bekannten Materialien zum Einsatz kommen, wie sie auch für herkömmliche WIG-Verfahren verwendet werden. Eine derartige Elektrode weist typischerweise wenigstens 95 Gew.-% Wolfram auf und kann über Zulegierungen von typischerweise bis zu 2 Gew.-% an Seltenerdoxiden, z. B. Lanthan-, Cer-, Ytterbium-, Zirkon- und/oder Thoriumoxid, verfügen. Hierdurch wird, wie eingangs erläutert, die Elektronenaustrittsarbeit gesenkt und die Lichtbogenzündung erleichtert. Ferner ergibt sich eine verbesserte Lichtbogenstabilität.
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Ein erfindungsgemäßer Schweißbrenner weist vorteilhafterweise einen ringförmigen Prozessgaskanal auf, der die erläuterte Achse, entlang derer der drahtförmige Schweißzusatzwerkstoff mittels der erläuterten Führungsmittel geführt wird, koaxial umgibt, und der radial außerhalb der Elektrodenanordnung angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung kann der gesamte Lichtbogen bzw. ein sich ausbildendes Plasma vollständig von einem Prozessgas (beispielsweise einem Schutzgas oder einem Fokussiergas) abgedeckt werden. Die Erfindung ermöglicht damit qualitativ besonders hochwertige Schweißungen.
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Ein entsprechender Schweißbrenner kann vorteilhafterweise auch mit einem ringförmigen Prozessgaskanal ausgebildet sein, welcher die erläuterte Achse koaxial umgibt, jedoch radial innerhalb der Elektrodenanordnung angeordnet ist. Ein derartiger Prozessgaskanal kann beispielsweise zur Bereitstellung eines Plasmagases, wie zuvor erläutert, eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß können dabei auch zwei oder mehrere Prozessgaskanäle in entsprechender Anordnung verwendet werden. Beispielsweise kann ein ringförmiger Prozessgaskanal radial innerhalb und ein ringförmiger Prozessgaskanal radial außerhalb der Elektrodenanordnung angeordnet sein. Dabei kann beispielsweise der innere Prozessgaskanal dazu verwendet werden, ein Plasmagas bereitzustellen. Der äußere Prozessgaskanal kann zur Bereitstellung eines Fokussiergases verwendet werden.
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Für die bereits erwähnten Plasmaverfahren werden Plasmagase verwendet, die Argon oder Gemische aus Argon, Helium und/oder Wasserstoff aufweisen. Hierdurch stehen die zur Bildung des Plasmas erforderlichen Ladungsträger zur Verfügung. Ein entsprechend eingeschnürter Plasmastrahl bzw. Plasmalichtbogen kann insbesondere durch koaxiales Anblasen mit kaltem, elektrisch weniger leitfähigem Gas (dem erwähnten Fokussiergas) und/oder durch eine Schutzgashülle aus gut wärmeleitfähigem aber schwer ionisierbaren Gas (z. B. Helium oder Argon/Wasserstoff-Gemischen), zusätzlich gebündelt werden. Für Plasmaverfahren verwendete Schweißbrenner erfordern i. d. R. ein zusätzliches Schutzgas, das typischerweise aus Argon/Wasserstoff-Gemischen oder aus Argon oder Argon/Helium-Gemischen besteht. Bei Plasmaverfahren wird zwischen Plasmastrahlschweißen, Plasmalichtbogenschweißen und Plasmastrahl-Plasmalichtbogenschweißen unterschieden, wie zuvor erläutert. Die Erfindung kann mit sämtlichen dieser Verfahren verwendet werden. Für Details der erläuterten Verfahren sei auf die eingangs erwähnten Fachbücher verwiesen.
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Ein erfindungsgemäßer Schweißbrenner, der für ein derartiges Plasmaschweißverfahren einsetzbar ist, kann insbesondere eine als Fokussiergasdüse verwendbare Düse aufweisen, die zum Einschnüren eines unter Zuhilfenahme eines Plasmagases ausgebildeten Plasmastrahls bzw. Plasmalichtbogens eingerichtet ist. Diese wird in der nachfolgenden Beschreibung auch kurz als ”Fokussiergasdüse” bezeichnet, kann je nach dem mit dem erfindungsgemäßen Schweißbrenner durchgeführten Schweißverfahren auch für andere Zwecke verwendet werden. Innerhalb der Fokussiergasdüse wird ein Plasmagas koaxial zu dem Schweißzusatzwerkstoff zugeführt. Zur Bereitstellung des Plasmagases kann ein ringförmiger Kanal oder ein entsprechender Düsenkranz vorgesehen sein. Mittels des Fokussiergases, das koaxial außerhalb des Plasmagases zugeführt wird, kann der sich ausbildende Plasmastrahl eingeschnürt werden. Typischerweise ist eine hierzu verwendete Fokussiergasdüse wassergekühlt und verjüngt sich konisch. Eine entsprechende Anordnung kann von einem weiteren ringförmigen Prozessgaskanal umgeben sein, mittels dessen ein Schutzgas zugeführt werden kann. Die Fokussiergasdüse kann auch mit Kühlwasserkanälen ausgebildet sein.
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Die Einschnürung durch das Fokussiergas und/oder die genannte Fokussiergasdüse führt zu einem deutlich verringerten Lichtbogenquerschnitt im Vergleich zu frei brennenden Lichtbogen. Es entsteht eine nahezu zylindrische Lichtbogenentladung hoher Leistungsdichte. Plasmaverfahren unterscheiden sich damit von Lichtbogenverfahren im Wesentlichen durch die Bereitstellung von Mitteln zur Einschnürung des Lichtbogens. Bei Plasmaverfahren wird ein hoher Ionisationsgrad bewirkt, der eine besonders gute Lichtbogenstabilität zur Folge hat. Plasmaverfahren sind insbesondere bei kleinen Stromstärken von unter einem Ampere von Vorteil gegenüber herkömmlichen Lichtbogenverfahren.
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Ein Schweißgerät mit einem zuvor erläuterten Schweißbrenner ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ein derartiges Schweißgerät weist Mittel auf, die zum Bereitstellen des Schweißzusatzwerkstoffs an die zuvor erläuterten Führungsmittel eingerichtet sind. Ferner ist wenigstens eine Prozessgaseinrichtung vorgesehen, die zur Bereitstellung wenigstens eines Prozessgases eingerichtet ist. Ein entsprechendes Schweißgerät verfügt ferner über eine geeignete Schweißstromquelle, die zur Beaufschlagung des Schweißstromanschlusses mit einem Schweißstrom eingerichtet ist. Sämtliche dieser Mittel sind vorzugsweise mit einer geeigneten Steuereinrichtung verbunden, die es ermöglicht, sämtliche Parameter des Schweißvorgangs einzustellen.
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Ein Schweißverfahren, bei dem der zuvor erläuterte Schweißbrenner und/oder ein entsprechendes Schweißgerät verwendet wird, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Zu den Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens sei auf die zuvor erläuterten Punkte verwiesen.
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Insbesondere kann ein entsprechendes Schweißverfahren als WIG-, Plasma- oder MSG-Verfahren durchgeführt werden. Die jeweiligen Verfahrensmerkmale dieser Verfahren wurden zuvor erläutert. Insbesondere kann ein übertragener oder ein nicht übertragener Lichtbogen eingesetzt werden, also ein Lichtbogen, der zwischen dem Schweißbrenner und dem Werkstück oder nur innerhalb des Brenners gezündet wird. Auch Kombinationen sind möglich.
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Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schweißbrenner gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Längsschnittdarstellung.
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2 zeigt einen Schweißbrenner gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Längsschnittdarstellung.
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3 zeigt einen Schweißbrenner gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Längsschnittdarstellung.
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4 veranschaulicht Möglichkeiten zur Bestromung von Elektroden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Querschnittdarstellung.
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5 zeigt ein Schweißgerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
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In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Schweißbrenner gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Längsschnittdarstellung. Der Schweißbrenner ist nur zum Teil dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die 1 zeigt dabei das distale Ende des Schweißbrenners 10, das auf ein Werkstück 20, gebildet aus zwei nicht näher bezeichneten Elementen, gerichtet ist.
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Der Schweißbrenner 10 ist zur Führung eines drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffs 1 eingerichtet. Der drahtförmige Schweißzusatzwerkstoff 1, bei dem es sich um einen an sich bekannten Massiv- oder Fülldrahtzusatzwerkstoff handeln kann, wird mittels Führungsmitteln 2 im dargestellten Abschnitt des Schweißbrenners 10 potentialfrei entlang einer Achse A geführt. Die Führungsmittel 2 können im dargestellten Abschnitt des Schweißbrenners 10 beispielsweise als Führungshülse mit einem geeigneten Innendurchmesser ausgebildet sein. Die Führungsmittel 2 können elektrisch leitend oder isolierend ausgebildet sein. Um den Schweißzusatzwerkstoff 1 potentialfrei zu führen, sind die Führungsmittel jedoch von schweißstromführenden Elementen des Schweißbrenners 10 isoliert.
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Eine Elektrodenanordnung 3, von der im dargestellten Beispiel zwei zugespitzte Elektroden dargestellt sind, umgibt die Achse A, entlang derer der Schweißzusatzwerkstoff 1 durch die Führungsmittel 2 im dargestellten Abschnitt des Schweißbrenners 10 geführt wird. Im dargestellten Beispiel sind die Elektroden der Elektrodenanordnung 3 parallel zu der Achse A ausgerichtet, sie können jedoch auch beispielsweise in Richtung des distalen Endes des Schweißbrenners 10, d. h. in Richtung auf das Werkstück 20, aufeinander zu geneigt sein. Die Elektroden der Elektrodenanordnung 3 sind im dargestellten Beispiel in einer Elektrodenhalterung 9 aufgenommen.
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Zwischen der Elektrodenanordnung 3 bzw. der Elektrodenhalterung 9 und den Führungsmitteln 2 ist im dargestellten Beispiel ein ringförmiger Prozessgaskanal 4 ausgebildet, durch den ein geeignetes Prozessgas zugeführt werden kann. Beispielsweise kann über den Prozessgaskanal 4 ein zuvor erläutertes Plasmagas zugeführt werden, wenn der Schweißbrenner für ein entsprechendes Plasmaschweißverfahren eingesetzt werden soll.
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Die Elektroden der Elektrodenanordnung 3 sind über einen hier nur schematisch veranschaulichten Schweißstromanschluss 5 mit einem Pol einer geeigneten Schweißstromquelle 30 verbunden. Die Elektroden der Elektrodenanordnung 3 können auf diese Weise mit einem geeigneten Schweißstrom beaufschlagt werden, wie zuvor erläutert. Im dargestellten Beispiel sind die Elektroden der Elektrodenanordnung 3 gemeinsam über die Elektrodenhalterung 9 mit dem Schweißstromanschluss 5 verbunden, es können jedoch insbesondere auch Mittel vorgesehen sein, um die Elektroden selektiv (einzeln, nacheinander oder gruppenweise) mit dem durch die Schweißstromquelle 30 bereitgestellten Schweißstrom zu beaufschlagen. Hierzu können beispielsweise ansteuerbare Schaltmittel vorgesehen sein, wie in der nachfolgenden 2 veranschaulicht. Die Elektrodenhalterung 9 kann in diesem Fall auch isolierend ausgebildet sein. Es können auch mehrere Schweißstromanschlüsse vorgesehen sein.
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Die Schweißstromquelle 30 ist im dargestellten Beispiel schematisch als Plus/Minus-Anordnung dargestellt, kann in der Praxis jedoch zur Bereitstellung eines Gleich- und/oder Wechselstroms eingerichtet sein. Das Werkstück 20 ist im dargestellten Beispiel an den anderen Pol der Schweißstromquelle 30 angeschlossen, wodurch ein Lichtbogen zwischen der oder den jeweils bestromten Elektroden der Elektrodenanordnung 3 und dem Werkstück 20 ausgebildet werden kann (übertragener Lichtbogen). In gleicher Weise kann jedoch auch ein anderes Element des Schweißbrenners 10 mit dem anderen Pol der Schweißstromquelle verbunden werden, so dass sich zwischen der oder den jeweils bestromten Elektroden der Elektrodenanordnung 3 und diesem anderen Element des Schweißbrenners ein Lichtbogen ausbildet (”nicht übertragener” Lichtbogen).
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Die Anordnung aus den Führungsmitteln 2 mit dem darin geführten Schweißzusatzwerkstoff 1, der Elektrodenanordnung 3 und dem Prozessgaskanal 4 ist im dargestellten Beispiel von einer Düse 6 umgeben, durch die gleichzeitig ein weiterer ringförmiger Prozessgaskanal 7 außerhalb der Elektrodenanordnung 3 definiert wird. Der ringförmige Prozessgaskanal 7 umgibt die Achse A ebenfalls koaxial. Beispielsweise kann durch eine geeignete Zufuhr eines Schutzgases über den Prozessgaskanal 7 ein Bereich 8 vollständig mit Schutzgas abgedeckt werden, so dass keine Oxidation des Werkstücks 20 und/oder einer sich ausbildenden Schweißnaht eintritt.
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Wird, wie erläutert, der Schweißbrenner 10 für ein Plasmaverfahren verwendet, kann über die Düse 6 auch ein Fokussiergas zugeführt werden. Die Düse 6 kann hierzu beispielsweise auch als konische Fokussiergasdüse ausgebildet sein und/oder eine geeignete Kühleinrichtung aufweisen. Hierzu eignet sich jedoch insbesondere ein Schweißbrenner 10, wie er in 3 dargestellt ist.
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Die dargestellte Anordnung kann auch von weiteren Düsen umgeben sein, die zur Zuführung zusätzlicher Prozessgase verwendet werden können. Wird über den ringförmigen Prozessgaskanal 4 beispielsweise ein Plasmagas und über den ringförmigen Prozessgaskanal 7 beispielsweise ein Fokussiergas zugeführt, kann über eine weitere außenliegende Düse beispielsweise ein Schutzgas zugeführt werden.
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2 zeigt einen Schweißbrenner 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Schweißbrenner 10 in 2 entspricht im Wesentlichen jenem der 1, ist jedoch gegenüber diesem vereinfacht. Der Schweißbrenner 10 der 2 verfügt über sämtliche Elemente des Schweißbrenners 10 der 1, jedoch nicht über den ringförmigen Prozessgaskanal 4. Er ist dadurch einfacher herzustellen und ermöglicht eine unaufwendigere Ansteuertechnik. Allerdings verringert sich hierduch ggf. die Flexibilität in den durch einen entsprechenden Schweißbrenner 10 realisierbaren Schweißverfahren. So ist beispielsweise keine getrennte Zuführung von Fokussiergas und Plasmagas möglich.
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In 2 ist veranschaulicht, wie einzelne Elektroden der Elektrodenanordnung selektiv mit dem Schweißstrom der Schweißstromquelle 30 beaufschlagt werden können. Hierzu ist beispielsweise der Schweißstromanschluss 5 über entsprechende beschaltete Leitungen 5a und 5b mit den Elektroden verbunden. Die Elektrodenhalterung 9 ist in diesem Fall isolierend ausgebildet. Es versteht sich, dass die Beschaltung der Leitungen 5a und 5b mit Schaltmitteln erfolgt, die der jeweiligen Schaltaufgabe angepasst sind, beispielsweise mittels hochspannungsfesten Leistungsschaltern.
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In dem in 2 dargestellten Beispiel müssen die Führungsmittel 2 isolierend ausgebildet und/oder gegenüber der Elektrodenanordnung 3 bzw. der Elektrodenhalterung 9 isoliert sein, um sicherzustellen, dass der Schweißzusatzwerkstoff 1 potentialfrei ist.
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3 zeigt einen Schweißbrenner 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Schweißbrenner 10 in 2 entspricht im Wesentlichen jenem der 1, weist jedoch gegenüber diesem einen weiteren ringförmigen Prozessgaskanal 7a auf, der durch eine weitere Düse 6a gebildet wird. Hierdurch eignet sich der Brenner 10 besonders für ein Plasmaverfahren, bei dem dem innersten Prozessgaskanal 4 ein Plasmagas, dem mittleren Prozessgaskanal 6 ein Fokussiergas und dem äußersten Prozessgaskanal 7a ein Schutzgas zugeführt wird. Zur verbesserten Fokussierung des sich ausbildenden Plasmastrahls verjüngt sich die Düse 6 konisch und kann (nicht dargestellte) Kühlmittelkanäle aufweisen.
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4 veranschaulicht Möglichkeiten zur Bestromung von Elektroden einer Elektrodenanordnung 3 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Querschnittdarstellung. Die Papierebene liegt hier senkrecht zur der in den 1 bis 3 dargestellten Achse A. Die 4 zeigt vier Ansichten A bis D, in denen jeweils der drahtförmige Schweißzusatzwerkstoff 1, die Führungsmittel 2, die Elektrodenhalterung 9 mit der Elektrodenanordnung 3 (nur zwei Elektroden der Elektrodenanordnung 3, die hier insgesamt 12 Elektroden umfasst, sind mit einem Bezugszeichen versehen) und der ringförmige Prozessgaskanal 4 dargestellt ist. Der Übersichtlichkeit halber sind nur in Ansicht A Bezugszeichen vorgesehen.
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In der 4 sind bestromte Elektroden der Elektrodenanordnung 3 als schwarz gefüllte Kreise, nicht bestromte Elektroden hingegen als weiß gefüllte Kreise dargestellt. In der Ansicht A sind sämtliche Elektroden der Elektrodenanordnung 3 bestromt. Diese Beschaltung kann beispielsweise dann zum Einsatz kommen, wenn eine besonders hohe Leistung eines betreffenden Schweißbrenners gefordert ist. In der Ansicht B ist hingegen nur eine Elektrode bestromt. Wie durch einen Pfeil veranschaulicht, kann hierbei der Schweißstrom zyklisch von einer zur nächsten Elektrode durchgeschaltet werden. Ein sich ausbildender Lichtbogen kann damit um die Achse A (in der Mitte des drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffs) rotieren. Die Ansichten C und D zeigen eine Bestromung jeweils eines Teils der sechs Elektroden der Elektrodenanordnung 3. Die Bestromung gemäß Ansicht D kann beispielsweise dann gewählt werden, wenn die jeweilige Schweißenergie bevorzugt in einer Richtung eingebracht werden soll. Bei einer Änderung der Schweißrichtung kann das Bestromungsmuster gewechselt werden.
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In 5 ist ein Schweißgerät schematisch dargestellt, das den Schweißbrenner 10 der 2 aufweist. Das Schweißgerät ist insgesamt mit 100 bezeichnet und kann auch Schweißbrenner 10 in andererer Ausführung aufweisen, beispielsweise den Schweißbrenner 10 der 1 oder der 3.
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Das Schweißgerät 100 umfasst eine Vorschubeinheit 110 für den drahtförmigen Zusatzwerkstoff 1, der in dieser mittels motorgetriebener Vorschubwalzen 111 von einer Rolle 112 abgewickelt und an die Führungsmittel 2 bereitgestellt werden kann.
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Das Schweißgerät 100 umfasst ferner eine Steuer- und Regeleinheit 120, in der im dargestellten Beispiel die Schweißstromquelle 30, beispielsweise ein geeignet ausgebildeter Schweißtrafo, angeordnet sein kann. Die Schweißstromquelle 30 ist, wie erläutert, mit einem Pol über den Schweißstromanschluss 5 an die Hohlelektrode 3 angeschlossen und kann mit dem anderen Pol an das Werkstück 20 oder an ein weiteres Element des Schweißbrenners 10 angeschlossen sein.
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Zur Bereitstellung wenigstens eines Prozessgases kann eine Prozessgaseinheit 40 vorgesehen sein. Diese ist ihrerseits an wenigstens einen schematisch gezeigten Gasspeicher, beispielsweise an wenigstens eine Druckgasflasche, angeschlossen. Die Prozessgaseinheit 40 ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Druck wenigstens eines Prozessgases, dessen Zusammensetzung und/oder dessen Volumenstrom, einzustellen. Insbesondere kann die Prozessgaseinheit 40 auch dazu eingerichtet sein, wenigstens einen pulsierenden Prozessgassstrom bereitzustellen. Die Prozessgaseinheit 40 ist im dargestellten Beispiel über eine Leitung 41 mit dem ringförmigen Prozessgaskanal 7 verbunden. Die Darstellung ist stark vereinfacht, insbesondere kann eine derartige Verbindung auch mehrere Düsen oder Düsenanordnungen umfassen. Es versteht sich, dass auch mehrere Prozessgaseinheiten vorgesehen sein können und/oder eine Prozessgaseinheit 40 mit mehreren ringförmigen Prozessgaskanälen 4, 7, 7a verbunden sein kann.
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Die Schweißstromquelle 30 und die Prozessgaseinheit 40 können mittels einer Steuereinrichtung 60, die beispielsweise auch an einen externen Steuerrechner angeschlossen sein kann, angesteuert werden. Die Steuereinrichtung 60 kann über geeignete Regelmittel verfügen und an nicht dargestellte Sensorleitungen angeschlossen sein. Die Steuereinrichtung 60 kann auch ein geeignetes Schweißprogramm speichern und ausführen.
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Das Schweißgerät 100 kann auch Mittel zur Bereitstellung von Kühlwasser, Benutzereingabeeinheiten, digitale und/oder analoge Anzeigen und dergleichen umfassen, die hier insgesamt mit 50 angegeben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Dilthey, U.: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1: Schweiß- und Schneidtechnologien. 3. Aufl. Heidelberg: Springer, 2006 [0002]
- Davies, A. C.: The Science and Practice of Welding. 10. Aufl. Cambridge: Cambridge University Press, 1993 [0002]
