DE1965545B2 - Verfahren und vorrichtung zum plasmaschweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Plasmaschweißen, bei dem in einem Schutzgas ein Plasmalichtbogen zwischen einer nichtabschmelzenden Elektrode und einem Werkstück aufrechterhalten und der Plasmalichtbogen durch eine Düse kontrahiert wird, während ein stromführender Zusatzdraht im Plasmalichtbogen zum Schmelzen gebracht wird.

Das Plasmaschweißverfahren ist bekanntlich ein Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschweißen in einem Schutzgas, bei dem zwischen einer nichtabschmelzenden Elektrode, die z. B. aus einem hochschmelzenden Metall, insbesondere Wolfram, besteht, und einem Werkstück ein Lichtbogen aufrechterhalten wird, dessen Plasma durch eine Düse hindurchgeführt wird.

Auf diese Weise wird ein stark kontrahierter Lichtbogen mit etwa zylindrischem Querschnitt gebildet, dessen Temperatur erheblich höher als die des mehr oder weniger kegelig gestalteten Lichtbogens ist, der durch das ältere, unter der Bezeichnung »Argonarc« bekannte Verfahren, bei dem eine derartige Düse nicht verwendet wird, erhalten wird.

Das Plasmaschweißen und die dabei zu verwendende Apparatur werden u. a. in dem Buch »Plasma Are Metal-Working Processes« von Robert

L. O'Brien beschrieben, das von der American Welding Society herausgegeben wurde.

Bei dem eingangs erwähnten, aus der US-PS

ίο 29 82 845 bekannten Verfahren zum Plasmaschweißen wird das abzuschmelzende Material in Form eines stromführenden Drahtes, der als Zusatzdraht bezeichnet wird, seitlich in den Plasmalichtbogen eingeführt.
Dieses Schweißverfahren hat bestimmte Vorteile, u.a., daß der Einbrand des Werkstückes bei gutem Anfließen des Metalls auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann und das Spritzen geschmolzenen Metalls nur in sehr geringem Maße auftritt. Diesem bekannten Plasmaschweißverfahren haften jedoch auch bestimmte Nachteile an.

Ein Nachteil besteht darin, daß durch die seitliche Einführung des Zusatzdrahtes Wirbel in dem Schutzgas auftreten, wodurch Luft eingesaugt wird. Dies beeinträchtigt einen effektiven Gasschutz.

Ein weiterer Nachteil ist der, daß beim seitlichen Einführen der Zusatzdraht nur über eine Länge etwa gleich dem halben Durchmesser des Plasmalichtbogens der Energie des Lichtbogens ausgesetzt wird. Die Einführungsgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes wird dadurch herabgesetzt.

Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren zum Plasmaschweißen zu schaffen, das diese Nachteile nicht aufweist.

Erfindungsgemäß wird hierzu der Zusatzdraht in an sich bekannter Weise axial an den Plasmalichtbogen eingeführt und auch zwischen dem Zusatzdraht und dem Werkstück ein Lichtbogen aufrechterhalten.

Durch die axiale Einführung ist der Draht im Vergleich zu der seitlichen Einführung über einen größeren Teil seiner Länge mit dem Plasmalichtbogen in Kontakt. Dadurch kann unter Beibehaltung der günstigen Eigenschaften, und zwar ein geringer Einbrand des Werkstückes und ein gutes Anfließen der Schweiße, schneller Metall zugeführt und abgeschmolzen und somit schneller geschweißt werden. Gaswirbel, die beim seitlichen Einführen des Zusatzdrahtes im Schutzgas auftreten und die den Gasschutz der Schweiße beeinträchtigen, werden bei dem Verfahren nach der Erfindung vermieden. Unter »Plasmaschweißen« ist hier auch das Abschmelzen von Material in eine Form zu verstehen.

Das axiale Einführen eines Zusatzdrahtes in einem Plasmalichtbogen wurde bereits beschrieben in dem Artikel »Anwendungen des Lichtbogen- Plasmabrenners« ETZ-B Bd. 15 (1963) Heft 1, S. 6; hierbei ist der Zusatzdraht jedoch nicht stromführend; außerdem wird der Lichtbogen zwischen einer Anode und einer Kathode der Spritzpistole aufrechterhalten; das Werkstück dient nicht als Elektrode für den Lichtbogen.

Durch den stromführenden Zusatzdraht und durch den Lichtbogen zwischen Zusatzdraht und Werkstück wird der Plasmalichtbogen noch stärker rings um den Zusatzdraht konzentriert, oder in anderen Worten: es tritt eine zusätzliche Kontraktion des Lichtbogenplasmas auf. Der Zusatzdraht liegt dadurch stets in der Achse des Lichtbogens. Die Wärmeübertragung von dem Lichtbogen auf den Zusatzdraht ist besser als bei nichtstromführendem Zusatzdraht.

Zwar ist bei dem Verfahren gemäß der bereits erwähnten US-PS 29 82 845 der Zusatzdraht ebenfalls stromführend; hierbei wird jedoch kein Lichtbogen zwischen Zusatzdraht und Werkstück aufrechterhalten.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Elektrode außerhalb der Mittellinie der Plasmaöffnung der Düse angeordnet, wobei der Zusatzdraht frei längs der Elektrode durch die Düse axial in den Plasmalichtbogen geführt wird. Es hat sich herausgestellt, daß der Plasmalichtbogen in dem Bereich zwischen der Elektrode und der Düse in Richtung der Mittellinie der Plasmaöffnung in der Düse gelenkt wird.

Zum Erhöhen der Abschmelzleistung, d. h. des pro Zeiteinheit abgeschmolzenen Gewichts an Schweißmaterial, werden bei einer Fortbildung der Erfindung mehrere nichtabschmelzende Elektroden in der Düse angeordnet, werden durch gesonderte Plasmaöffnungen mehrere Plasmalichtbögen aufrechterhalten und wird in jeden dieser Plasmalichtbogen ein Zusatzdraht aus Schweißmaterial axial eingeführt und abgeschmolzen. Diese Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft beim Auftragsschweißen, beim Aufbringen von Überzügen und beim Niederschmelzen von Material in eine Form.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Plasmaschweißen mit einer nichtabschmelzenden Elektrode und einer Plasmadüse; diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die nichtabschmelzende Elektrode außerhalb der Mittellinie der Plasmaöffnung der Düse angeordnet ist, daß Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe ein Zusatzdraht frei längs der nichtabschmelzenden Elektrode durch die Düse geführt werden kann, und daß weiterhin Mittel zum Aufrechterhalten eines Lichtbogens zwischen dem Zusatzdraht und dem Werkstück vorgesehen sind. Die axiale Einführung des Zusatzdrahtes hat den großen Vorteil, daß die Vorrichtung gedrängter und kompakter als bei seitlicher Zufuhr des Zusatzdrahtes ausgeführt werden kann.

Die Stromquelle für den Zusatzdraht kann eine gesonderte Stromquelle sein. Auch kann der Zusatzdraht mit der Stromquelle verbunden werden, von der der Lichtbogen zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode und dem Werkstück aufrechterhalten wird. In diesem Falle soll zur Begrenzung des Stromes in den Kreis ein Widerstand aufgenommen werden. Der Zusatzdraht und die nichtabschmelzende Elektrode sollen derart angeschlossen werden, daß der elektrische Strom durch diese beiden Teile in der gleichen Richtung fließt. Jedoch ist die Isolierung des Schweißdrahtes nicht immer erforderlich.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn erfindungsgemäß Mittel zum Einstellen des Abstandes zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode und der Plasmaöffnung in der Düse vorhanden sind. Bei den üblichen Durchmessern der Elektrode, der Düse und des Zusatzdrahtes ist eine Einstellbarkeit über Abstände von einigen Millimetern ausreichend.

Die Elektrode und die Plasmadüse können mit an sich bekannten Mitteln, z. B. Wasserkühlung, versehen sein. Auch können bekanntlich in der Düse gesonderte öffnungen seitlich der Plasmaöffnung angebracht sein. Die Querschnittsform des Plasmalichtbogens kann dann durch aus diesen öffnungen ausströmenden Plasmagas beeinflußt werden. Die Gestalt des Plasmalichtbogens kann auch durch die Form der Plasmaöffnung beeinflußt werden.

Zum Erhalten einer befriedigenden Kühlung wird die

Elektrode aus einem gut wärmeleitenden Metall, z. B.

Kupfer, und wird das vom Lichtbogen zu belastende Ende aus einem hochschmelzenden Metall hergestellt.

Der gut wärmeleitende Teil der Elektrode, der auch als Elektrodenhalter bezeichnet werden kann, kann ferner mit Mittel zur Wasserkühlung versehen sein.

Der die eigentliche Elektrode bildende hochschmel-

to zende Teil kann die Form eines Stiftes aufweisen und gut leitend mit dem Halter verbunden werden. Ein ausreichender elektrischer und thermischer Kontakt zwischen den Teilen kann außer durch Schweißen oder Löten auch durch eine Schrauben- oder Klemmenverbindung hergestellt werden.

Die Plasmaöffnung in der Düse hat im allgemeinen die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 cm und einer Höhe von etwa 0,5 cm. Im Betrieb ist die kleine Wandoberfläche dieser öffnung intensiv der Wärme des Lichtbogenplasmas ausgesetzt, so daß trotz der Anwendung von Kühlung Beschädigung auftreten kann. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Plasmaöffnung und gegebenenfalls weitere Gasdurchlaßöffnungen in einem gesonderten Nippel angebracht werden, der in der Düse z. B. mittels einer Schraubenverbindung befestigt ist.

Der Lichtbogen kann mit Hilfe einer Hochfrequenzfunkenentladung zwischen der Elektrode und dem Werkstück oder durch eine Hilfsentladung zwischen der Elektrode und der Innenseite der Düse gezündet werden.

Der Lichtbogen wird in einem nichtoxydierenden Gas aufrechterhalten. In der Praxis werden zu diesem Zweck mit Rücksicht auf die Oxydierbarkeit der hochschmelzenden Metalle, aus denen die Elektroden bestehen, inerte Gase, wie Argon und Helium, oder Gemische dieser Gase verwendet

Beim Durchführen des Verfahrens kann, wie dies beim Plasmaschweißen üblich ist, zum Erhalten eines ausreichenden Schutzes des geschmolzenen Metalls rings um die Düse ein Gas eingeführt werden, dessen Zusammensetzung von der des Plasmagases verschieden sein kann. Außerdem fördert eine derartige Gasströmung die durch Anwendung der Düse erhaltene Lichtbogenkonzentration.

In der Wahl des Gases zum Schützen der Schweißstelle ist man weniger beschränkt. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Werkstücke eignen sich zu diesem Zweck neben den Edelgasen auch andere beim Schweißen in Schutzgas verwendete Gase, z. B. CO2, und Gasgemische, z.B. 95 % A +5% O₂, 90% A + 10 % He, 80 % A + 5 % O₂ + 15 % CO₂ und 89 A + 6 % CO₂ + 5 % O₂.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der im Querschnitt schematisch eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen nach der Erfindung dargestellt sind.

Ein rohrförmiger Elektrodenhalter 18 mit einer stiftförmigen Elektrode 20 ist mittels eines Isolierstükkes 4 in einer Düse 5 montiert. Die Düse 5 ist mit einer Plasmaöffnung 15, einem Hohlraum 6 zur Wasserkühlung und einer Zufuhr 7 und einer Abfuhr 8 für Kühlwasser versehen. Ferner ist an der Düse 5 eine Zufuhr 9 für ein Plasmagas befestigt.

Der Elektrodenhalter 18 ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt und am Innenumfang mit einem isolierenden Belag 19 z. B. aus Aluminiumoxyd versehen. Durch den Elektrodenhalter wird ein Zusatzdraht 3 zugeführt.

Die Düse ist ferner von einem zylindrischen Schirm 10 mit einer Zufuhr U für ein Schutzgas umgeben. Das Ganze ist über einem Werkstück 12 angeordnet und kann über die zu schweißende Oberfläche bewegt werden. Das Werkstück 12 und die Elektrode 20 sind mit einer Stromquelle 13 verbunden. Dabei wird die Elektrode vorzugsweise an die negative Klemme angeschlossen. Der Zusatzdraht 3 ist ebenfalls über einen Widerstand 23 an die Stromquelle 13 angeschlossen.

Mit Hilfe einer Hochfrequenzentladung kann zwischen der Elektrode 20 und dem Werkstück 12 eine Lichtbogenentladung eingeleitet werden, die von der Stromquelle 13 aufrechterhalten wird.

Das Lichtbogenplasma wird durch die öffnung 15 zu einer etwa zylindrischen Form kontrahiert. Der Zusatzdraht 3 wird über einen verhältnismäßig großen Teil seiner Länge dem Lichtbogen ausgesetzt. Mit 16 ist in der Figur ein am Ende des Zusatzdrahtes 3 gebildeter geschmolzener Schweißmaterialtropfen bezeichnet, to während die erhaltene Schweiße mit 17 bezeichnet ist.

Der zwischen der Elektrode 20 und dem Werkstück 12 aufrechterhaltene Lichtbogen besteht aus einem kegeligen Teil 21, der in einen zylindrischen Teil 22 übergeht. Der Zusatzdraht 3 kann in diesem Falle frei längs der Elektrode 20 axial in das Lichtbogenplasma eingeführt werden. Die Stromzufuhr für den Zusatzdraht kann auch derart bewirkt werden, daß in dem Raum zwischen dem Zusatzdraht 3 und dem isolierenden Innenbelag 19 ein rohrförmiges Kontaktglied angeordnet wird, das über einen Widerstand mit der Stromquelle 13 verbunden ist.

Schweißversuche, bei denen flache Auftragsschweißungen angebracht wurden, haben nachgewiesen, daß bei dem Verfahren mit einem stromführenden Zusatzdraht die Einbrenntiefe der Schweiße in das Werkstück und die Breite der Schweiße im wesentlichen durch die Stromstärke des zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode und dem Werkstück aufrechterhaltenen Lichtbogens bestimmt werden. Bei größerer Stromstärke nimmt die Breite der Schweiße verhältnismäßig stärker als die Einbrenntiefe zu. Der Strom durch den Zusatzdraht beeinflußt insbesondere die Abschmelzgeschwindigkeit. Bei Erhöhung des Stromes durch den Zusatzdraht wird, bei konstant gehaltenem Strom durch die nichtabschmelzende Elektrode, eine schmälere und höhere Raupe erhalten. Bei Erhöhung durch die nichtabschmelzende Elektrode wird, bei konstant gehaltenem Strom durch den Zusatzdraht, eine breitere und niedrigere Raupe erhalten. Der Strom durch den Zusatzdraht beeinflußt auch die Einbrenntiefe, insbesondere in der Mitte der Schweiße; bei größerem Strom nimmt diese Einbrenntiefe zu. Der Querschnitt einer flachen Auftragsschweißung weist im allgemeinen in der Mitte einen größeren Einbrand als an den Rändern auf. Die Einbrenntiefe im Werkstück und die Abschmelzgeschwindigkeit sind aber gegenseitig in geringerem Maße abhängig als beim üblichen Metall-lnertgas-Schweißen (M IG-Schweißen).

Das vorliegende Verfahren hat viele Anwendungsmöglichkeiten. So wurden z. B. Schweißverbindungen zwischen Platten aus Flußstahl hergestellt. Es wurden Platten mit einer Dicke von 10 mm und auch Platten mit einer Dicke von 2 mm miteinander verschweißt. Im ersteren Falle wurden die Platten zu einer V-Naht von 60° vorbearbeitet. Es wurde mit einer Wurzelöffnung von 1 mm geschweißt. Als Zusatzdraht wurde ein Eisendraht mit einem Durchmesser von 0,9 mm verwendet, der l,6Gew.-% Mangan und 0,8 Gew.-% Silizium enthielt Die Stromstärke im Zusatzdraht war 100 A und die Stromstärke in der nichtabschmelzenden (Wolfram-) Elektrode war 195 A. Die Spannung zwischen dem Zusatzdraht und dem Werkstück war 20 V und die Spannung zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode und dem Werkstück 29 V. Der Zusatzdraht und die nichtabschmelzende Elektrode waren mit der negativen Klemme und das Werkstück war mit der positiven Klemme der Stromquelle verbunden. Als Plasmagas wurde Argon in einer Menge von 5 l/min und als weiteres Schutzgas wurde ein Gemisch aus 80 Vol.-% A, 20 Vol.-% CO₂ in einer Menge von 35 l/min verwendet. Die Plasmaöffnung hatte einen Durchmesser von 7 mm und die Schweißgeschwindigkeit betrug 20 cm/min; die Abschmelzgeschwindigkeit betrug 78 g/min. Die V-Naht wurde in einem einzigen Schweißgang ausgefüllt. Die Durchschweißung war befriedigend; die Durchmischung mit dem Plattenmaterial war gering.

Die Platten mit einer Dicke von 2 mm wurden unter praktisch den gleichen Bedingungen miteinander verbunden. Die Schweißgeschwindigkeit betrug in diesem Falle 153 cm/min. Es wurde in einer I-Naht mit einer Wurzelöffnung von 1,5 mm geschweißt. Die Durchmischung der Schweiße mit dem Werkstück war auch in diesem Falle gering; etwa 14 % der Gesamtschweiße rührte von dem Werkstück her.

Beim Schweißen wurde Spritzen völlig vermieden.

Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Molybdän und Wolfram, können gleichfalls durch dieses Verfahren geschweißt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Plasmaschweißen, bei dem in einem Schutzgas ein Plasmalichtbogen zwischen einer nichtabschmelzenden Elektrode und einem Werkstück aufrechterhalten und der Plasmalichtbogen durch eine Düse kontrahiert wird, während ein stromführender Zusatzdraht im Plasmalichtbogen zum Schmelzen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzdraht in an sich bekannter Weise axial in den Plasmalichtbogen eingeführt wird, und daß auch zwischen dem Zusatzdraht und dem Werkstück ein Lichtbogen aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode außerhalb der Mittellinie der Plasmaöffnung der Düse angeordnet ist und der Zusatzdraht frei längs der Elektrode durch die Düse axial in den Plasmalichtbogen eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nichtabschmelzende Elektroden in der Düse angeordnet werden, daß durch gesonderte Plasmaöffnungen mehrere Plasmalichtbögen aufrechterhalten werden, und daß in jeden dieser Plasmalichtbögen ein Zusatzdraht aus Schweißmaterial axial eingeführt und abgeschmolzen wird.

4. Vorrichtung zum Plasmaschweißen mit einer nichtabschmelzenden Elektrode und einer Plasmadüse zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtabschmelzende Elektrode (20) außerhalb der Mittellinie der Plasmaöffnung (15) der Düse (5) angeordnet ist, daß Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe ein Zusatzdraht (3) frei längs der nichtabschmelzenden Elektrode (20) durch die Düse (5) geführt werden kann, und daß weiterhin Mittel (23) zum Aufrechterhalten eines Lichtbogens zwischen dem Zusatzdraht (3) und dem Werkstück (12) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Einstellen des Abstandes zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode (20) und der Plasmaöffnung (15) in der Düse (5) vorhanden sind.