DE1565065C2 - Verfahren zum Plasmaschweißen von dünnwandigen Metallteilen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelz- Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erschweißen von dünnwandigen Metallteilen mit einem findung an. Hand der Zeichnung beschrieben. In der übertragenen Lichtbogen-Plasmastrahl, der außer- Zeichnung zeigt ..

halb der ihn einschnürenden Düse von einem anderen F i g. 1 ein Diagramm, bei welchem die Spannung

Gas umhüllt ist. 5 als Funktion der Stromstärke eines freien elektrischen

Beim Schweißen von Blechen ist es bekannt, daß Lichtbogens für einen Elektrodenabstand von 2 mm

mit abnehmender Blechdicke auch der Schweißstrom in Argon aufgetragen ist,

herabgesetzt werden muß. Beim Schweißen sehr F i g. 2 einen Axialschnitt eines Schweißbrenners

dünner Bleche unter 0,5 mm, z. B. 0,05 mm, würde zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

man dabei auf Ströme zwischen 0,1 und 0,5 A korn- ίο fahrens,

men. In diesem Bereich ist der frei brennende Wolf- F i g. 3 in größerem Maßstab als Teilschnitt den ram-Inertgaslichtbogen jedoch nicht mehr stabil. Unterteil des Schweißbrenners nach F i g. 2.
Dieses Versagen läßt sich vielleicht damit erklären, Dem Fachmann ist es geläufig, daß der Lichtbogen daß im Strom-Spannungs-Diagramm die Lichtbogen- bei schwachen Strömen zum Schweißen untauglich kennlinie im Bereich zu niederen Strömen hin sehr 15 ist, da bei diesem Bedingungen der Verwendungssteil zu höheren Spannungen hin ansteigt und mit der bereich der Bogenkennlinie einer Zone unstabilen in diesem Bereich ebenfalls sehr steil ansteigenden Betriebs entspricht, wie in Fig. 1 durch den schraf-Kennlinie üblicher Stromquellen nur schleifende fierten Teil A gezeigt. Nach dem erfindungsgemäßen Schnitte, also keinen eng definierten Arbeitspunkt Verfahren wird es jedoch möglich, den verengten ergibt. 20 Lichtbogen bei seinem Austritt aus der Düse zum

Es bestand damit ganz allgemein die Aufgabe, Werkstück hin zu stabilisieren, und zwar für alle einen Schwachstrom-Lichtbogen für Schweißzwecke niedrigen Stromstärken, die zum Schweißen dünner geeignet zu machen. Daß Schweißströme der genann- Metallbleche geeignet sind und auch bei sehr dünnen ten geringen Größenordnung eine große Bedeutung Blechen von etwa 0,01 bis 0,1 mm Dicke. Durch das haben, spiegelt sich in der alten Tendenz wider, an 25 erfindungsgemäße Verfahren wird die Spannungs-Gewicht zu sparen, also geringe Wanddicken zu ver- Stromcharakteristik des verengten Lichtbogens so verwenden. Darüber hinaus gestatten viele neue Pro- ändert, daß der unstabile Teil A in die unmittelbare bleme in Technik und Wissenschaft nur noch den Nähe der Ordinatenachse gebracht wird, so daß man Einsatz von dünnwandigen Bauteilen, häufig sogar sogar bei Schweißströmen von einigen 100 mA immer aus metallurgisch sehr empfindlichem Werkstoff. Es 30 noch mehr oder weniger im horizontalen Bereich der hat sich herausgestellt, daß sich der Mangel an einem Kurve arbeiten kann, auf jeden Fall jedoch im leicht verläßlichen und einfachen Schwachstrom-Licht- ansteigenden Teil der Kurve und somit unter stabilen bogenschweißverfahren oft hemmend auf die Ver- Arbeitsbedingungen.

wirklichung vonForschungs- undProduktionsprojek- Der Schweißbrenner nach Fig. 2 wird von einer

ten ausgewirkt hat. 35 Gleichstromquelle gespeist. Die Elektrode 1 ist mit

Man wußte auch bereits, daß man die Richtungs- dem negativen Potential und das zu schweißende Stabilität eines Gaslichtbogens durch Einschnürung Arbeitsstück 3 ist mit dem positiven Potential vererheblich verbessern konnte. Dieses Verfahren wurde bunden. Der eine Düse bildende Kopf 2 steht auf jedoch allein in Richtung zum Schweißen dicker einem dazwischenliegenden Potential. Ein Hilfslicht-Werkstücke mit großer Geschwindigkeit entwickelt, 40 bogen oder »Pilotlichtbogen« tritt zwischen der Elekd. h. in Richtung auf hohe Ströme und hohe Leistung. trode 1 und dem Kopf 2 auf. Ein Schweißlichtbogen Wenn man jedoch den Strom beim Schweißen mittels oder »verengter Lichtbogen« verläuft zwischen der verengten Lichtbogens unter dem meist erforder- Elektrode 1 und dem Arbeitsstück 3 durch den Kalichen Schutz eines inerten Gases auf Werte herab- nal 4 des Kopfes 2.

minderte, die für das Schweißen sehr dünner Metall- 45 Der verengte oder eingeschnürte Schweißlichtbleche, etwa in dem Bereich von 0,01 bis 0,1 mm, bogen wird dem Pilotlichtbogen überlagert, der also erforderlich sind, dann stellte man fest, daß der Licht- eine Unterstützungsrolle, vor allem für die sehr bogen sich am Düsenende stark verbreiterte und schwachen Ströme von z. B. 0,8 A spielt. Andererunstabil wurde. Er verhielt sich wie eine Flamme seits bleibt der Pilotlichtbogen bestehen, wenn der und war zum Schweißen nicht brauchbar. Diese hem- 50 Schweißer den Schweißlichtbogen auseinanderzieht, mende Auswirkung ist offenbar durch die Ionisation um ihn zu unterbrechen. Der Schweißer kann dann der an den Lichtbogen angrenzenden Schutzgas- den Kopf 2 dem Arbeitsstück nähern, um automatisch schichten zu erklären, so daß der leitfähige Strahl- wieder den Hauptlichtbogen zu ziehen, oder den querschnitt sich verbreitert. Es wurde jedoch gefun- Stromkreis des Schweißbogens unterbrechen, wonach den, daß es durch die Auswahl einer besonderen 55 ein Wiederzünden des Schweißbogens vorgenommen Schutzgas-Zusammensetzung möglich ist, den ver- werden muß.

engten Lichtbogen bei seinem Austritt aus der Düse Die Vorionisierung des Schutzgases der Elektrode

zum Werkstück hin auch im Bereich sehr niedriger und des Kopfes (seltenes Gas Gl wie Argon) durch

Ströme zu stabilisieren, so daß er zum Schweißen die HF-Entladung hat die Zündung des Pilotlicht-

sehr dünner Metallbleche geeignet ist. 60 bogens zur Folge. Dieser Bogen wird gegen das

Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß die Äußere des Kopfes geblasen und bildet eine sichtäußere Hülle des Plasmastrahles aus einem Gas oder bare Flamme mit Beleuchtungswirkung. Die Bedie-Gasgemisch gebildet wird, das ein höheres Ioni- nungsperson sieht daher die Schweißzone durch die sationspotential besitzt als das innere Inertgas und/ Leuchtkraft, die vom Kopf herrührt, erhellt, was sich oder das wenigstens teilweise dissoziierbar ist, und 65 bei der Ausführung von Präzisionsarbeit als sehr daß der elektrische Schweißstrom auf einen Bereich bequem erweist.

zwischen wenigen Ampere und Bruchteilen eines Es ist interessant zu bemerken, daß die Anfangs-Ampere beschränkt wird. HF-Entladung auch in dem Fall stattfindet, wenn die

Elektrode, vor allem an ihrem Ende, teilweise stark des Schutzgases G 2 um den Lichtbogen herum verschmutzt ist, da eine radiale Zündung dann auf beim Austritt aus dem Kanal 4 bis zum Arbeitsemem anderen Niveau stattfindet, welche die Vor-' ' stück3 hinleitet. ' '"-'■■ ■■■■■■·■■ ".ν'-ύ-/· ί. Ι ηπν ionisation des Gases zur Folgehat.'-- ■■■.:.■-'; ; '^! '<■ '■■■'■ .'■-/ . ■ ^!; , ^ ;. ...'.■· ; ^ ^:: . ·:' - c!i»j:.;/'

Die feuerfeste Elektrode ist in Fig. 2 durch den 5 Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Form des Unter-Teil 1 dargestellt. Ihr Durchmesser d ist viel kleiner teils des Kopfes 2 so gewählt, daß die Berührung des· als der innere Durchmesser D des Kopfes 2. Das Ver-^; Gases G 2 mit im wesentlichen der ganzen Ober-¹ hältnis D : d muß sorgfältig gewählt werden. Nach den fläche des Teils des Lichtbogens 32 außerhalb des Versuchen muß das Verhältnis D: d zwischen 3 und 4 Kopfes 2 gewährleistet ist. : ^:
liegen, der optimale Wert D : d ist 3,6. io Die Zündung mittels HF-Entladung erfolgt radial

Andererseits wird durch die Möglichkeit des auf der ganzen freien Länge (ab 21) der Elektrode 1 Schweißers, nach dem Schweißen nur den Pilotlicht- zwischen dieser und dem Kopf 2; deshalb ist die Vorbogen in Betrieb zu halten, vermieden, daß für jede ionisierung des Gases Gl, das ins Innere des Kopfes erneute Schweißung die Zündung mittels HF vor- strömt, gesichert, so daß der Pilotlichtbogen leicht genommen werden muß, was für die Elektrode immer is zündet. : , ;■■■;■■;.: schädlich ist. Daraus ergibt sich eine merkliche Ver- Der Kopf 2 selbst weist eine Verengungsmündung längerung der Lebensdauer der Elektrode. ^ :_;;ί mit einem Durchmesser D1 und einer Länge auf, die

Das Schutzgas Gl fließt ab, sobald die Vorrichtung je nach der auszuführenden Arbeit genau bestimmt an Spannung gelegt wird. Dann ist die Zündung eines sind. Durch diese Mündung muß der Schweißlicht-: Pilotlichtbogens mittels HF möglich. Ein zweites 20 bogen gezwungenermaßen hindurchgehen, um zwi--Schutzgas G 2 des Schweißbades ist am Werkstück 3 . sehen der Elektrode und dem Schweißstück brennen vorgesehen. Dieses zweite Gas (oder das Gasgemisch) zu können. Eine Einengung ist somit auf dem Weg des kommt in Berührung mit im wesentlichen der ganzen Lichtbogens durch die Luft vorgesehen. Genauer Oberfläche des Luftpfades des Lichtbogens, d.h: in ^; ^gesagt, handelt es sich um ein Diaphragma, das zudem Bereich des Bogens außerhalb der Düse am 25 gleich mechanisch, infolge des Durchmessers und der Kopf 2. Länge, und thermisch, wegen der durch Wasserküh-

Die Form dieser vom Kanal 4 durchsetzten Düse lung des Kopfhalters erzwungenen Wärmeableitung, am Kopf 2 und des Mantels 22 sowie der schräg ver- wirkt. Am Ende dieser Verengung weist der Lichtlaufende Durchlaß 23, aus dem das Gas G 2 zum bogen sehr klare Konturen auf, die durch die geome-Lichtbogen hin ausströmt, sind, wie aus Fig. 3 ent- 30 trische Form des Diaphragmas bestimmt sind; er ist nommen werden kann, so gewählt und angeordnet, sehr richtungsstabil geworden,
daß die Berührung dieses Gases mit im wesentlichen Das Verhältnis D: D wird zwiscwen 5,0 und 2,9, der ganzen Oberfläche des Luftpfades des Licht- vorzugsweise 4, gewählt.

bogens 32 erfolgt. Dieser Teil des Lichtbogens bleibt Die sich aus dieser Verengung ergebenen physika-

daher verengt, auch wenn mit kleinen Schweißstrom- 35 lischen Wirkungen sind bekannt und finden bei dem

stärken gearbeitet wird. Verfahren nach der Erfindung eine nützliche An-

Das Schutzgas G 2 wird im gleichen Zeitpunkt zu- wendung, wodurch das Grundproblem beim Schwei-

geschaltet wie die Umschaltung des Pilotlichtbogens ßen sehr dünner Bleche gelöst wird, nämlich ein

zum Schweißlichtbogen. stabiler Schweißbogen bei sehr kleinen Stromstärken.

Der in Fig. 2 dargestellte Schweißbrenner ist für 40 Durch diese Wirkungen kann der Schweißer das

das erfindungsgemäße Verfahren so entworfen, daß Schweißbad führen, das sich augenblicklich sehr

er den gewünschten verengten Lichtbogen mit er- genau bildet, und zwar selbst in den schwierigsten

wünschter Stabilität, Energieübertragung, Steuerbar- Fällen bei zu verbindenden Stücken mit komplexen

keit und wirksamem Schutz des Werkstückes liefert, geometrischen Formen. Bei allen Verschiebungen des

so daß sehr regelmäßige Schweißnähte frei von Oxy- 45 Schweißbrenners behält der Lichtbogen seine Rich-

dation herstellbar sind. ' rung in der Achse des Diaphragmas bei. Die für das

Der Schweißbrenner nach F i g. 2 weist ferner noch ν Diaphragma zu verwendenden Dimensionen variieren

folgende Teile auf: je nach dem zu verschweißenden Material (Schmelz-

Einen Körper aus beispielsweise warmhärtbarem P^ ™^{d de}* ^Dicl? ^{der Bleche}· .^D*ⁿⁱ*^en *f ^d<?

Isoliermaterial 15, in welchem die Wasser- ⁵° Schwedfetrom je nach der zu verrichtenden Arbeit

kanälen, die Gaskanäle Gl, G2 und die elek- einzustellen.

trischen Leiter enden· Das Schweißschutzgas G 2 muß wegen dem Pnn-' zip der Lichtbogenverengung sehr sorgfaltig gewählt einen isolierenden Mantel 16 zum Halten der werden. Das Schutzgas Gl wird auf einen sehr hohen Elektrode, die in den Körper eingeschoben und ₅₅ Ionisationsgrad gebracht. Es ist daher notwendig zu mit einer wasserdichten Dichtung 17 ver- vermeiden, daß das Gas G1 bei Berührung das Gas sehen ist; q 2 ionisiert, was zu einem unwirksamen Lichtbogen einen Klemmteil 18 mit seinem Träger 19, um führte, der seine Stabilität verlöre. Es ist daher sehr die Elektrode 1 in der richtigen Lage zu halten; wichtig, ein Schutzgas G 2 oder ein Gasgemisch zu einen leitenden Kopfträger 20, an dessen Ende ^6o verwenden,das die durch das Gas 1 gebildete Plasmaein keramischer Zentrierteil 21 befestigt ist und säule praktisch nicht ionisieren kann. Zu diesem der einen Kühlwasserkanal des abschraubbaren ^{Zwecke so11 das} Schutzgas Gl oder das Gasgemisch TTnnfpc 7 enthält· vorzugsweise ganz oder mindestens teilweise disso-

iVUpjLCö Xf CllUldll, , -TT₁-F-II, 1- T-Il -1

ziierbar sem. Unter Beachtung dieser Forderung sind

den abschraubbaren leitenden Kopf 2, der auf _{6s auch} verschiedene Kombinationen von Gasen Gl dem Träger 20 befestigt ist; und G 2 möglich.

einen undurchsichtigen oder durchsichtigen Das Gas Gl oder ein Gemisch solcher Gase sei

Mantel aus Isoliermaterial 22, der den Strom beispielsweise ein seltenes Gas wie Argon oder ein

Gemisch von seltenen Gasen, wie Helium und Argon, wenn möglich mit'Spuren von Wasserstoff. Die Wahl von Gl hängt von der Art des zu behandelnden Metalls ab; dissoziierbare Gase wie Stickstoff, Wasserstoff: und ,Mischungen davon, CO₂ sowie Gemische von seltenen Gasen mit dissoziierbaren Gasen können verwendet werden, wie z.B. Argon und Wasserstoff. Die Gegenwart eines dissoziierbaren Gases in der von Gas G 2 erzeugten Schutzathmosphäre verhindert praktisch deren Ionisation. An Stelle eines dissoziierbaren Gases kann man auch für G 2 ein seltenes Gas, wie Helium, verwenden, das ein höheres Ionisationspotential als jenes des Gases oder Gasgemisches Gl aufweist; ein solches Gas würde auch praktisch durch das Plasma des Lichtbogens nicht ionisierbar sein, rl· ;:

Es können Bleche verschiedener Zusammensetzung (nichtrostender Stahl, eisenhaltige oder nichteisenhaltige Metalle sowie ihre Legierungen) mit sehr kleinen Dicken in der Größenordnung von 0,06 mm und darunter stirnseitig oder mit Überlappung miteinander . verbunden · werden. Die verschweißten; Bleche können unterschiedliche Dicken aufweisen. Die Schweißnähte sind sehr regelmäßig und frei von jeder Oxydationsspur. Das erfindungsgemäße Ver-, ;5 fahren kann auch zur Punktschweißung von Blechen geringer Dicke dienen. _;;< : ■: \: :

Claims (1)

1. 'Patentanspruch: ^

   Verfahren zum Schmelzschweißen von dünnwandigen Metallteilen mit einem übertragenen Lichtbogen-Plasmastrahl, der außerhalb der ihn einschnürenden Düse von einem anderen Gas umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle des Plasmastrahles aus einem Gas oder Gasgemisch gebildet wird, das ein höheres Ionisationspötentiäl besitzt als das innere Inertgas und/oder das wenigstens teilweise dissoziierbar ist und daß der elektrische Schweißstrom auf einen Bereich zwischen wenigen Ampere und Bruchteilen eines Ampere be- ^: .'schränkt wird..-! ν-Λ^'Γ·:·--, ,.·?;>■:■ ;■;■.>■ :■. 'Λ ν ..·■■·..:^;

   Hierzu l Blatt Zeichnungen