-
Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Erhitzen, Schmelzen, Schneiden
u. dgl. eines Werkstückes unter Anwendung einer Lichtbogenentladung zwischen einer
nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück bzw. einer Gegenelektrode, wobei
die Bogenentladung in einer zwischen Elektrode und Werkstück angeordneten Düse eingeschnürt
und fokussiert wird und wobei die Einschnürung der Plasmasäule zur Erzielung eines
gegenüber dem nicht eingeschnürten Lichtbogen erhöhten Spannungsabfalls je Längeneinheit
bewirkt wird durch einengende Düsenbohrungen und durch das Hindurchblasen eines
hierbei aber in den Lichtbogen eintretenden und ihn stützenden Gasstromes und wobei
die Einschnürung der Plasmasäule dem Wärmebedarf hinsichtlich Aufschmelzung bzw.
Verdampfung des Werkstoffes des Werkstückes an der Arbeitsstelle angepaßt ist durch
die Wahl des Düsendurchmessers und/oder durch Regelung der zuströmenden Gasmenge
je Zeiteinheit und wobei ein teilweise bzw. ausschließlich als Gegenelektrode dienender
stromführender oder ein nicht stromführender abschmelzender Metalldraht seitlich
in den Lichtbogen eingeführt wird, gemäß Patent 1066 676.
-
Diese Vorrichtung wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch weiter
verbessert, daß der abschmelzende Metalldraht in den eingeengten Lichtbogen innerhalb
der Gasdüse auf besondere Weise eingeführt wird. Dieses Verfahren hat zunächst den
Vorteil einer besseren Beherrschung der Fokussierung, Einstellung und der Tröpfchenqualität
des Sprühregens aus geschmolzenem Metall. Die Erfindung besteht darin, daß der sich
verbrauchende Draht durch die Düsenwandung hindurch in den Abschnitt des Lichtbogenstrahles
seitlich einführbar ist, der sich im Innern der Düse befindet. Der Draht wird dabei
vorzugsweise an oder nahe der Stelle kleinsten Düsenquerschnitts zugebracht, was
zu der schnellstmöglichen Aufschmelzung des Drahtes führt.
-
Die Erfindung wird an Hand der Ausführungsbeispiele in der Zeichnung
beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine Teilansicht des Gerätes nach einer Ausführungsform
der Erfindung, hauptsächlich in vertikalem Querschnitt, und Fig. 2, 3 und 4 ähnliche
Ansichten von abgewandelten Ausführungsformen des Gerätes.
-
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist das Gerät %1 eine nicht abschmelzende
Stabelektrode 10 koaxial zu einer Düsenelektrode 11 auf. Diese Elektroden werden
über Leitungen 13 bzw. 14 mit einer elektrischen Stromquelle 12 verbunden. Ein ausgewählter
Gasstrom fließt durch den ringförmigen Raum zwischen der Stabelektrode 10 und der
Bohrung 15 in der Düsenelektrode 11 hindurch nach abwärts. Als Gas eignet sich beispielsweise
Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff. Etwas Wasserstoff im Gasgemisch ist
erwünscht, wo Wasserstoff metallurgisch annehmbar ist, und zwar wegen der erhöhten
Wärme, welche durch die Erzeugung von atomarem Wasserstoff im Lichtbogen und seine
nachfolgende Wiedervereinigung am oder nahe dem Metalldrahtende hervorgerufen wird.
-
Ein abschmelzender Draht 16 wird mittels Rollen 17 durch einen seitlichen
Kanal P in der Wandung der Düsenelektrode 11 und in den Düsenkanal 18 zugeführt.
Der Draht ist so veranschaulicht, daß er unter einem spitzen Winkel zur Horizontalen
eintritt, doch kann je nach dem Bedarfsfall der Winkel auch 90° betragen. Der Draht
wird auf diese Weise so nahe wie möglich an der Stelle größter Bogeneinschnürung
angestellt. Der Draht 16 befindet sich mit der Düsenelektrode 11 in elektrischem
Kontakt und kann demgemäß als Elektrode wirken, wenn er in den Düsenkanal
18 vorspringt. Der Bogen 19, der anfänglich zwischen den Elektroden 10 und
11 durchtrat, ist dann bestrebt, teilweise zum Draht 16 überzugehen. Das geschmolzene
Metall aus dem Draht 16 wird dann als Ausströmung 20 hoher Geschwindigkeit zusammen
mit dem Gasstrom vorgetrieben. Die Düse 11 wird durch Kühlfluidum, wie Wasser, aus
dem Einlaß 21 durch den Kanal 22 zum Auslaß 23 unter ihren Schmelzpunkt abgekühlt.
Die Sprühregenausströmung 20 gelangt dann zum Teil R.
-
Die Drahtzufuhrgeschwindigkeit wird im Verein mit der elektrischen
Leistung eingestellt, um die geschmolzene Spitze des Drahtes etwa in der Mitte des
Düsenkanals zu
halten. Dies führt dahin, daß sich der Metallsprühregen
annähernd in einer Linie mit der Längsachse des Düsenkanals 18 befindet. Eine zu
niedrige Zuführgeschwindigkeit führt zu einem Sprühregen aus großen Teilchen unter
einem Winkel-zu der betfeffttideri Achse, der sich an der Seite in derjenigen Richtung
befindet; aus welcher der Draht zugeführt wird. Eine Steigerung der Zufuhrgeschwindigkeit
über günstigste Bedingungen hinaus führt zu demselben Sprühregen wie mit zu geringer
Zufuhrgeschwindigkeit, mit der Ausnahme, daß sich der Sprühregen an der anderen
Seite der betreffenden Achse befindet. Diese beiden Zustände sind offensichtlich
unerwünscht.
-
Ideale Drahtzufuhrgeschwindigkeiten von 635 cm/min für Stahl, 345
cm/min für eine 80 % Ni -20 °/o Cu-Legierung und 762 cm/min für Aluminium
fanden mit einem Draht von 1,6 mm Durchmesser und bei 10 kW Gesamtleistung, Gleichstrom,
Stabelektrode mit negativer Polarität erfolgreich Anwendung. Die für die obigen
Bedingungen verwendete Anlage wies eine Düsenbohrung von 3,2 mm Durchmesser und
eine anschließende divergente Bohrung von 30° auf.
-
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 liegen die Düsenelektrode
und der abschmelzende Draht auf demselben elektrischen Potential. Eine solche Schaltung
ermöglicht eine wirksame Selbstregelung in Verbindung mit der Drahtzufuhrgeschwindigkeit,
welche die geschmolzene Drahtspitze etwa in der Mitte des Düsenkanals zu halten
sucht. Wenn der Draht in den längs gerichteten Düsenkanal vortritt, beginnt er erhöhte
Strommengen mit sich zu führen. Springt er über die Mitte des Kanals hinaus vor,
steigert der erhöhte Strom im Verein mit der Widerstandserwärmung längs des vorgesprungenen
Teiles des Drahtes und der stärkeren Einwirkung des Plasmas die Abschmelzgeschwindigkeit,
und der Draht schmilzt rascher zur Mittelstelle zurück. Verlangsamt sich die Drahtzufuhrgeschwindigkeit
und nimmt der Drahtvortrieb ab, übernimmt der Draht weniger Strom und die Düsenelektrode
mehr Strom. Die Gesamtwirkung ergibt dann eine Verminderung der Abschmelzgeschwindigkeit.
-
Der sich über den Draht hinaus erstreckende Teil des längslaufenden
Düsenkanals bewirkt eine Fokussierung und Steuerung der Stellung des Schmelztröpfchenstromes.
Der divergente Austrittkanal bewirkt eine Verminderung unerwünschten Verstopfens
infolge Ablagerungen von geschmolzenen Metallteilchen innerhalb der Düse. Ein divergenter
Kanal in der Düsenelektrode breitet außerdem die Elektrodenfläche aus und vermindert
die Stromdichte. Dies trägt zu einer Verminderung von Erosion bei hohen Stromdichten
bei. Ein divergenter Kanal. gestattet außerdem, unter gewissen Bedingungen eine
Überschallgeschwindigkeit des Gases am Auslaß zu erreichen, was das geschmolzene
Material im Sprühregen weitet beschleunigt, um einen stärkeren Aufprall auf den
Werkstücken und dichtere Überzüge, Plattierungen oder Schweißraupen zu erzeugen.
Aus den obigen Gründen ist daher vorzuziehen, daß der Düsenauslaß im Vergleich mit
der Fläche der Düse an der Stelle des Drahteintritts eine vergrößerte Querschnittsfläche
besitzt.
-
Eine zusätzliche Gasabschirmung gemäß Hauptpatent zur Verminderung
der Verunreinigung der Ausströmung mit atmosphärischer Luft wird dadurch erzielt,
daß Schutzgas arn Düsenauslaß durch eine hohle Zufuhr= vorrichtung 28 in der Form
des Auslaßendes der Düse eingeführt wird..
-
Eine bevorzugte Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wird
in Fig. 2 veranschaulicht. Hier ist die abschmelzende Drahtelektrode 16 mittels
eines rohrförmigen elektrischen Isolators 24 rin seitlichen Kanal P gegen die Düsenelektrode
11 elektrisch isoliert. Die hauptsächlichen elektrischen Anschlüsse von der Lichtbogenkraftquelle
12 erfolgen über die Leitung 13 zur Stabelektrode 10 und die Leitung 25 zum abschmelienderi
Draht 16. Die Düsenelektrode 11 ist über einen Widerstand 26, der die Düse
auf einem niedrigeren Potential als der Schmelzdraht zu halten sucht, an die Stromquelle
angeschlossen.
-
Diese Einrichtung nach der Fig. 2 kann mit höheren Drahtzufuhrgeschwindigkeiten-
als diejenige nach der Fig. 1 betrieben werden, weil sich höhere Leistungspegel
am Draht ohne Sehaden für die Düse aufrechterhalten lassen. Dies wird wichtig, wenn
Drahtzufuhrmengen von 45,4 kg/h oder höher gewünscht werden. Zwischen der Stabelektrode
und der Düsenelektrode wird gemäß Hauptpatent ein Hilfslichtbogen unterhalten, um
den Prozeß einzuleiten und außerdem einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, wenn die
Drahtzufuhr aus irgendeinem Grund aufhört. Der elektrische Kontakt von der Leitung
25 zum Draht 16 kann außerhalb des Brenners angeordnet werden, um in bekannter Weise
die Widerstandserwärmung längs des Drahtes zu steigern.
-
Bei der Ausführungsform der Erfindung nach der Fig. 3 dient der Düsenfortsatz
27 demselben Zweck wie die verlängerten Düsen nach den Fig. 1 und 2, nämlich, das
Fokussieren zu unterstützen und den Strom aus Gas und geschmolzenen Teilchen zu
einer gewünschten Stelle oder Bereich hinzulenken und die Verunreinigung der geschmolzenen
Teilchen durch Luft möglichst zu vermindern.
-
Eine weitere Abwandlung der Erfindung ist der Fig. 4 zu entnehmen.
Der Bogenstrom aus der Elektrode 10 wird auf die Düsenanode 11, die Abschmelzdrahtelektrode
16 und ein Werkstück 29 durch entsprechende Einstellung von Belastungswiderständen
26 und 30 aufgeteilt.
-
Die folgenden Beispiele erläutern eine tatsächliche Anwendung der
vorliegenden Erfindung für das Aufbringen von Metallüberzügen auf metallischen Grundplatten.
Beispiel I Eine Einrichtung der in Fig. 1 veranschaulichten Art wurde verwendet,
mit der Ausnahme, daß die Düse eine geradlinige Bohrung, d. h. einen nicht divergenten
Auslaß besaß. Ein Gasgemisch von 5,66 M3/h Argon und 0,382 M3/h Wasserstoff floß
um eine thorierte Wolframstabelektrode von 3,22 mm Durchmesser herum abwärts und
durch einen (nicht divergenten) Kanal von 3,2 mm Durchmesser in der Düsenelektrode
heraus. Ein Lichtbogen von 75 V Gleichspannung und 150 Amp. wurde zwischen diesen
Elektroden gezogen, wobei die Stabelektrode negative Polarität hatte. Ein 80 °;
a lNzi-20 0/Q Cu-Legierungsdraht von 1,6 mm Durchmesser wurde mit 101 cm/min durch
einen Kanal hindurch in die Seite der Düse eingeführt. Zusätzliches Wasserstoffschutzgas
wurde mit 1,42 m3/h am Düsenauslaß eingeleitet. Die heiße Gasausströmung und der
aus geschmolzenem Metall bestehende Sprühregen von der Drahtelektrode wurden dann
zum Auftreffen auf eine rotierende zylindrische, kaltgewalzte Stahlstange von 1,27
cm Durchmesser in einem Abstand von 2,54 cm vom Brennerdüsenauslaß gebracht. Der
erzeugte Legierungsüberzug war dicht, anhaftend, hatte weniger als 1 % Porosität
und weniger als 1 °% Oxydverunreinigung. Beispiel 1I Es wurde eine Einrichtung gemäß
der Fig. 2 verwendet. Ein Gasgemisch von 5,66 M3/h Argon und 0,396 m3/h Wasserstoff
strömte um eine thorierte Wolframstabelektrode
von 3,2 mm Durchmesser
herum nach abwärts und heraus durch den Kanal in einer Düsenelektrode mit 3,2 mm
Bohrung und einem divergenten Auslaß mit 30° Winkel. Ein Lichtbogen von 80 V und
100 Amp. Gleichstrom wurde zwischen der Stabelektrode (negative Polarität) und der
abschmelzenden Drahtelektrode plus Düsenelektrode geschlagen. Die abschmelzende
Drahtelektrode führte 100 Amp., während der Düsenelektrode ein Düsenstrom von 10
Amp. zugeführt wurde. Die abschmelzende Drahtelektrode war ein Kohlenstoffstahlschweißstab
von 1,6 mm Durchmesser, der mit 444,5 cm/min zugeführt wurde. Zusätzliches Wasserstoffschutzgas
wurde mit 1,42 m3/h am Düsenauslaß eingeleitet. Die heiße Gasausströmung und der
aus geschmolzenem Metall bestehende Sprühregen von der abschmelzenden Drahtelektrode
wurden dann zum Auftreffen auf eine rotierende Kohlenstoffstahlstange von 1,27 cm
Durchmesser im Abstand von 2,54 cm von der Brennerdüse gebracht. Der erzeugte Stahlüberzug
war dicht, anhaftend, hatte weniger als 5 °,l, Porosität und weniger als 1
% Oxydverunreinigung.
-
Die Querschnittsformen der oben beschriebenen Düsenkanäle sind kreisförmig,
doch sind erfindungsgemäß auch andere Formen, z. B. rechtwinklige, quadratische
oder ovale Formen, ohne weiteres möglich.