DE1965545C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Plasmaschweißen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum PlasmaschweißenInfo
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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
wii'ii.
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 altere, unter der Bezeichnung »Argonarc« bekannte Verfahren, bei dem eine derartige Düse n.cht
verwendet wird, erhalten wird.
Das Plasmaschweißen und die dabei zu verwendende
s 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
29 8^ 845 bekannten Verfahren zum Plasmaschweißen
'" wird" das abzuschmelzende Material in Form eines stromführenden Drahtes, der als Zusatzdrahl bezeichnet
wird seitlich in den Plasmalichtbogen eingeführt.
Dieses Schweißverfahren hat bestimmte Vorteile, μ ι daß der Einbrand des Werkstückes bei gutem
Angießen des Mctalis auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann und das Spritzen geschmolzenen Metalls
nur in sehr geringem Maße auftritt. Diesem bekannten Plasmaschweiöverfahren haften jedoch auch besiimmie
>o Nachteile an.
Ein Nachteil besteht dann, 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
° Einführe,·, der Zusaizdrahl nur über eine länge etwa
deich dem halben Durchmesser des Plasmahchtbogens
der Energie des Lichtbogens ausgesetzt wird. Die
Einführungsgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes wird
ίο 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 abgcschmol-4<
zen 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 Verfanren
nach der Erfindung vermieden. Unter »Plasmaschwei-Ben« 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 Licntbogenplasmas auf. Der Zusatzdraht liegt dadurch stets in der
Achse des Lichtbogens. Die Wärmeüberiragung von
dem Lichtbogen auf den Zusatzdraht ist besser als bei nichtstromführendeinZjsatzdraht.
Zwar ist bei dem Verfahren gemäß der bereits
erwähnten I)S-PS 29 82 845 der Zusatzdraht ebenfalls
stromführend; hierbei wird jevloch 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 /.usalzdraht frei längs
der Elektrode durch die Düse axial in den Plasmalichtbc^n
geführt wird. Es hat sich herausgestellt, daß der Plasmalichibogcn in dem bereich /wischen 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 Schweißmalerial,
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 Schweißmatcrial 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 Pla^niadüse; 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
Zusatzdrahl frei längs der nichtabschmelzenden Elektrode durch die Düse geführt werden kann, und daß
weiterhin Mittel zum Aufrechterhalten eines Lichlbogens
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 dar 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 Piasmaöffnung 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
6o 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 hoclischmelzende
Teil kann die Form eines Stiftes aufweisen und gut leitend mit dem Halter verbunden werden. Ein
ausreichender elektrischer und thermischer Koniakt 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 I 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 % O:.
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
Zuluhr9fürein 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 11 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 ij
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, »o 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 nichtabschmelzendcn 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 Linbrenntiefe, 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 Abschmcl/.geschwindigkeit
sind aber gegenseitig in geringerem Maße abhängig als beim üblichen Mctall-Inertgas-Schweißen(MIG-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-Nahl 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 100A 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 Wurzclöffnung 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.
Claims (5)
1. Verfahren zum Plasmaschweißen, bei dem in einem Schutzgas ein Plasmalichtbogen /wischen
einer nichtabschmelzenden Elektrode uiu lein
Werkstück aufrechterhalten und der Plasm .einbogen 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 I, 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
Schweißmuterial 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 (J) 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.
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