DE19927557C2 - Process for pretreating workpieces to be welded or soldered - Google Patents
Process for pretreating workpieces to be welded or solderedInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbehandeln von zu schweißenden oder zu lötenden Werkstücken aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere aus leicht oxidierbaren Metallen wie Aluminium oder Magnesium. Solche Mate rialien neigen zur Bildung einer Oxidschicht, die bei den gängigen Schweißver fahren, beispielsweise beim Elektroschweißen (z. B. WIG; MIG oder MAG) oder beim Laserschweißen den Schweißprozess behindert, so daß Unregelmäßigkei ten in der Schweißraupe und/oder Fehler in der Schweißnaht auftreten.The invention relates to a method for the pretreatment of those to be welded or workpieces to be soldered made of electrically conductive material, in particular made of easily oxidizable metals such as aluminum or magnesium. Such mate materials tend to form an oxide layer, which is common in conventional welding processes driving, for example in electric welding (e.g. TIG; MIG or MAG) or laser welding hinders the welding process, so that irregularities welding bead and / or defects in the weld seam.
Es ist bekannt, Werkstücke aus solchen Materialien mechanisch, beispielsweise durch Schleifen oder Bürsten vorzubehandeln, um die Oberflächenschicht, die den Schweißprozess behindert, ganz oder teilweise abzutragen. Diese mechani schen Vorbehandlungsverfahren erfordern jedoch einen hohen Arbeitsaufwand und einen hohen apparativen Aufwand und haben zudem den Nachteil, daß sie sich nicht in den eigentlichen Schweißprozess integrieren lassen, so daß in Fer tigungsanlagen vor der Schweißstation eine zusätzliche Vorbehandlungsstation vorgesehen werden muß.It is known to mechanically workpieces from such materials, for example pretreated by grinding or brushing to finish the surface layer hinders the welding process from completely or partially removing. This mechani pretreatment processes, however, require a lot of work and a high expenditure on equipment and also have the disadvantage that they can not be integrated into the actual welding process, so that in Fer an additional pre-treatment station in front of the welding station must be provided.
Aus US 3 278 720 A ist ein Verfahren nach dem Obergegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem eine Schweißelektrode und eine Reinigungselektrode gemein sam über das Werkstück bewegt werden, so daß die Werkstückoberfläche vor dem Schweißen mit Hilfe eines von der Reinigungselektrode erzeugten Lichtbo gens gereinigt wird. Die Reinigungselektrode ragt aus der Mündung eines Dü senkanals heraus, der von einem inerten Schutzgas wie Argon oder Helium durchströmt wird. Der Lichtbogen hat eine relativ hohe Stromstärke von 30 bis 40 Ampère und überwindet nur eine relativ kurze Distanz zwischen der Elektro denspitze und der Oberfläche des Werkstücks, so daß er seine Reinigungswir kung nur in einem eng lokalisierten Bereich entfaltet.From US 3,278,720 A is a method according to the preamble of claim 1 known in which a welding electrode and a cleaning electrode in common sam are moved over the workpiece so that the workpiece surface in front welding with the aid of a light beam generated by the cleaning electrode is cleaned. The cleaning electrode protrudes from the mouth of a nozzle out of an inert shielding gas such as argon or helium is flowed through. The arc has a relatively high current of 30 to 40 amps and only overcomes a relatively short distance between the electro the tip and the surface of the workpiece so that it can be cleaned only unfolded in a narrowly localized area.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach anzuwendendes und dennoch wirksa mes Verfahren zu schaffen, durch daß die Schweißbarkeit von elektrisch leitfä higen Werkstücken verbessert wird, die zur Bildung einer den Schweißprozess behindernden Oberflächenschicht neigen.The object of the invention is to provide an easy to use, yet effective mes process to create that the weldability of electrically conductive Workpieces that are used to form a welding process hindering surface layer.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Spitze der Elektrode gegenüber der Mündung des Dü senkanals zurück liegt und daß man das Gas drallförmig durch den Düsenkanal strömen läßt und den Gasdurchsatz so hoch wählt, daß der Lichtbogen auf das Werkstück überspringt.This object is achieved in a method according to the preamble of claim 1 solved in that the tip of the electrode opposite the mouth of the Dü is lying back and that the gas is swirling through the nozzle channel can flow and choose the gas flow so high that the arc on the Workpiece skips.
Die Elektrode ist im Inneren eines elektrisch leitenden und geerdeten Gehäuses angeordnet, das einen Düsenkanal bildet, der drallförmig von Luft durchströmt wird. Durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektrode und Werkstück werden elektrische Entladungsbogen oder -funken erzeugt, die von der Elektrode auf die Oberfläche des Werkstücks überspringen und die stö rende Oberflächenschicht perforieren und teilweise verdampfen. Durch die Ver wendung einer Hochfrequenzspannung, beispielsweise einer Wechselspannung oder einer gepulsten Gleichspannung wird erreicht, daß der Entladungsbogen instabil ist, in dem Sinne, daß er nicht stets auf denselben Punkt des Werk stücks auftrifft, sondern daß der Auftreffpunkt auf der Oberfläche des Werk stücks "springt", so daß die Oberflächenschicht innerhalb eines begrenzten Be reiches an zufällig verteilten Punkten perforiert wird. Versuche haben gezeigt, daß durch diese Maßnahme die Schweißbarkeit der Werkstückoberfläche be trächtlich verbessert wird.The electrode is inside an electrically conductive and grounded housing arranged, which forms a nozzle channel through which air swirls becomes. By applying a high frequency high voltage between the electrode and workpiece, electrical discharge arcs or sparks are generated skip from the electrode to the surface of the workpiece and the interference Perforate the final surface layer and partially evaporate. By ver application of a high-frequency voltage, for example an AC voltage or a pulsed DC voltage is achieved that the discharge arc is unstable in the sense that it is not always at the same point in the work strikes, but that the point of impact on the surface of the work piece "jumps" so that the surface layer within a limited Be richly perforated at randomly distributed points. Trials have shown that by this measure the weldability of the workpiece surface be is improved dramatically.
Der von der Spitze der Elektrode ausgehende Lichtbogen wird im Wirbelkern der drallförmigen Luftströmung kanalisiert und verzweigt sich erst an der Mündung des Düsenkanals radial zu der durch das Gehäuse gebildeten Düsenöffnung. Der Luftdurchsatz wird so eingestellt, daß der Lichtbogen aus der Mündung des Düsenkanals "herausgeblasen" wird und auf das Werkstück überspringt. Bei diesem Verfahren wird die statistische Verteilung der Perforationspunkte da durch begünstigt, daß der Lichtbogen mit Luft angeblasen wird. Selbstverständ lich kann anstelle von Luft auch ein anderes Gas verwendet werden. Allerdings sollten keine leicht ionisierbaren Gase wie Helium oder Argon verwendet werden.The arc from the tip of the electrode is in the vortex core swirl-shaped air flow channels and branches only at the mouth of the nozzle channel radially to the nozzle opening formed by the housing. The air flow is adjusted so that the arc from the mouth of the Nozzle channel is "blown out" and jumps onto the workpiece. at With this method the statistical distribution of the perforation points is there by favoring that the arc is blown with air. Selbstverständ A different gas can be used instead of air. Indeed no easily ionizable gases such as helium or argon should be used.
Durch die Perforation der Oberflächenschicht wird das darunterliegende Materi al des Werkstücks freigelegt, so daß bei dem anschließenden Schweißprozess an diesen Perforationsstellen das Material (in der Regel Metall) des Werkstücks leichter verdampfen kann. Der Dampf über der Oberfläche des Werkstücks wird auf diese Weise mit leicht ionisierbaren Atomen und Molekülen angereichert, so daß die Entstehung eines thermisch und/oder chemisch aktiven Plasmas be günstigt wird, das den Schweißprozess stabilisiert und verstetigt. Bei bestimmten Anwendungen erübrigt sich dadurch auch die Verwendung eines Schutzga ses beim Schweißprozeß.The underlying material becomes through the perforation of the surface layer al of the workpiece exposed, so that in the subsequent welding process the material (usually metal) of the workpiece at these perforation points can evaporate more easily. The steam above the surface of the workpiece is enriched in this way with easily ionizable atoms and molecules, so that the formation of a thermally and / or chemically active plasma be is favored, which stabilizes and stabilizes the welding process. With certain Applications also make the use of a protective guard unnecessary ses in the welding process.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen.Advantageous embodiments of the invention result from the subclaims chen.
Wenn eine kontinuierliche Schweißnaht erzeugt werden soll, kann die zum Vor behandeln des Werkstücks oder der Werkstücke benutze Elektrode zusammen mit dem eigentlichen Schweißkopf auf einem gemeinsamen Arbeitskopf, bei spielsweise an einem Roboterarm angeordnet sein, so daß die Vorbehandlung der eigentlichen Schweißung unmittelbar vorangeht. Da somit keine gesonderte Arbeitsstation für die Vorbehandlung erforderlich ist, kann der Aufbau der Schweißanlage insgesamt erheblich vereinfacht werden. Außerdem wird auf die se Weise die Zeit zwischen der Vorbehandlung und der Schweißung auf ein Mi nimum verkürzt. Dies ist besonders bei Materialien von Vorteil, bei denen sich nach der Vorbehandlung sehr schnell eine neue Oxidschicht bildet.If a continuous weld seam is to be created, this can be done in advance treat the workpiece or the workpiece using the electrode together with the actual welding head on a common working head, at be arranged on a robot arm, for example, so that the pretreatment immediately precedes the actual welding. Since there is therefore no separate The work station required for pretreatment can be set up Welding system can be significantly simplified overall. In addition, the the time between pretreatment and welding on a Mi shortened nimum. This is particularly advantageous for materials that are forms a new oxide layer very quickly after the pretreatment.
Zur Erzeugung der Hochfrequenzentladung wird bevorzugt eine Plasmadüse ver wendet, wie sie in DE 195 32 412 A1 beschrieben wird. Diese Plasmadüse dient ursprünglich zur Erzeugung eines atmosphärischen Niedrigtemperaturplasmas für die Vorbehandlung von Kunststoffen und arbeitet mit einem nichtübertrage nen Bogen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das vorzubehan delnde Werkstück ebenfalls geerdet, und die Plasmadüse wird in geringem Ab stand zur Oberfläche des Werkstücks angeordnet, so daß der Lichtbogen auf das Werkstück überspringt.A plasma nozzle is preferably used to generate the high-frequency discharge applies as described in DE 195 32 412 A1. This plasma nozzle is used originally to create a low temperature atmospheric plasma for the pretreatment of plastics and works with a non-transfer a bow. With the method according to the invention, this will now be reserved The workpiece is also earthed, and the plasma nozzle is reduced in a small amount stood to the surface of the workpiece, so that the arc on the Workpiece skips.
Ein Beispiel eines Generators, der zur Erzeugung der Hochfrequenzspannung geeignet ist, wird in DE 42 35 766 C1 beschrieben.An example of a generator used to generate the high frequency voltage is suitable, is described in DE 42 35 766 C1.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat zudem eine entfettende Wirkung, die beim Vorbehandeln von Werkstücken vor dem Schweißen oder Löten besonders vor teilhaft ist.The method according to the invention also has a degreasing effect which in Pretreatment of workpieces before welding or soldering, especially before is partaking.
Das Verfahren ist jedoch nicht nur zum Vorbehandeln von Werkstücken geeig net, sondern generell zum Reinigen der Oberflächen von elektrisch leitenden Werkstücken. Besonders effizient ist das Verfahren in den Fällen, in denen eine relativ spröde, hochomige Oberflächenschicht vom Werkstück entfernt werden soll, beispielsweise beim Entzundern von Schweißnähten oder beim Entfernen der Walzhaut von Walzgut. Der Reinigungseffekt beruht bei dem erfindungsge mäßen Verfahren darauf, daß die zu entfernende Oberflächenschicht durch die statistisch verteilten "Einschläge" des Lichtbogens perforiert wird, so daß ein ähnlicher Effekt wie beim Sandstrahlen eintritt, und daß durch die schockartige thermische Wirkung des Lichtbogens Stücke der zu entfernenden Oberflächen schicht abgesprengt werden.However, the process is not only suitable for pretreating workpieces net, but generally for cleaning the surfaces of electrically conductive Workpieces. The process is particularly efficient in cases where a relatively brittle, high-omitted surface layer can be removed from the workpiece should, for example, when descaling welds or when removing the rolling skin of rolling stock. The cleaning effect is based on the fiction method according to that the surface layer to be removed through the statistically distributed "strikes" of the arc is perforated so that a Similar effect as occurs with sandblasting, and that by the shock-like thermal effect of the arc pieces of the surfaces to be removed layer can be blasted off.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeich nung näher erläutert. In the following, exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing tion explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen axialen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Vorbehandeln eines Werkstücks; und Fig. 1 is an axial section through a device for pre-treating a workpiece; and
Fig. 2 die Anwendung des Verfahrens beim Entzundern einer Schweißnaht. Fig. 2 shows the application of the method in descaling a weld.
Kernstück der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist eine Plasmadüse 10, die zusam men mit einem Schweißkopf 12, beispielsweise einem Laserschweißkopf an ei nem Arbeitskopf 14 eines Roboters montiert ist und mit Hilfe des Roboters ge meinsam in geringem Abstand in Richtung des Pfeils A über die Oberfläche ei nes Werkstücks 16 bewegt wird, so daß mit Hilfe des Schweißkopfes 12 eine Schweißnaht erzeugt wird. Das Werkstück 16, beispielsweise eine Aluminium platte, ist in einem Schnitt parallel zur Schweißnaht gezeigt und weist an seiner Oberfläche eine Oxidschicht 18 auf.The core of the device according to FIG. 1 is a plasma nozzle 10 , which is mounted together with a welding head 12 , for example a laser welding head on a working head 14 of a robot, and with the help of the robot, together at a short distance in the direction of arrow A over the surface egg nes workpiece 16 is moved so that a weld is generated with the help of the welding head 12 . The workpiece 16 , for example an aluminum plate, is shown in a section parallel to the weld seam and has an oxide layer 18 on its surface.
Die Plasmadüse 10 weist ein zylindrisches Gehäuse 20 aus Metall auf, in dem koaxial ein Keramikrohr 22 angeordnet ist. Das Innere des Gehäuses 20 bzw. des Keramikrohres 20 bildet einen Düsenkanal 24, der am freien Ende in einer Düsenöffnung 26 mündet, die durch eine Einschnürung des Gehäuses 20 be grenzt wird. Das entgegengesetzte Ende des Düsenkanals ist mit einer Drall kammer 28 verbunden, in die über einen Einlaß 30 ein Gas bzw. Luft verdrallt eingeleitet wird. Eine elektrisch gegenüber dem Gehäuse 20 isolierte stiftförmige Elektrode 32 ist am Boden der Drallkammer 28 gehalten, so daß sie koaxial in den Düsenkanal 24 hineinragt. Die Länge des Düsenkanals 24 von der Spitze der Elektrode 32 bis zur Düsenöffnung 26 beträgt mindestens 10 mm vorzugs weise mindestens 30 mm mehr. Das Gehäuse 20 und das Werkstück 16 sind geerdet, während an die Elektrode 32 mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators 34 eine Wechselspannung oder gegebenenfalls auch eine gepulste Gleichspannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von einigen kHz und einer Amplitude von beispielsweise 10 bis 30 kV angelegt wird. Beim Hochregeln der Spannung kommt es aufgrund der Wirkung des Keramikrohres 20 als Dielektrikum zu nächst zu einer Koronaentladung an der Elektrode 32. Durch diese Koronaentla dung wird dann eine Bogenentladung entweder zwischen der Elektrode 32 und dem Gehäuse 20 oder zwischen der Elektrode und dem Werkstück 16 gezündet. Die Stromamplitude der Bogenentladung sollte mindestens 100 mA betragen. Aufgrund der wirbelförmigen Strömung der Luft bildet sich auf der Achse des Düsenkanals 24 ein Wirbelkern, der den von der Spitze der Elektrode 32 ausge henden Lichtbogen 36 bis in den Bereich der Mündung 26 kanalisiert. Bei hin reichend hohem Luftdurchsatz durch den Düsenkanal springt der Lichtbogen auf die Oberfläche des Werkstücks 14 über, so daß die Oxidschicht 18 perforiert wird. Da der Lichtbogen 36 durch die verdrallte Luftströmung mitgerissen wird, die an der Oberfläche des Werkstücks radial abströmt, bleibt der Auftreffpunkt des Lichtbogens auf das Werkstück nicht stationär, sondern der Lichtbogen trifft stets an wechselnden Stellen auf die Werkstückoberfläche auf, so daß in der Oxidschicht 18 eine Vielzahl statistisch verteilter Krater 38 gebildet wird. Im Bereich dieser Krater 38 wird das nicht oxidierte Material des Werkstücks freige legt, und da die Krater verhältnismäßig eng und tief sind, wird die Neubildung einer Oxidschicht verzögert.The plasma nozzle 10 has a cylindrical housing 20 made of metal, in which a ceramic tube 22 is arranged coaxially. The inside of the housing 20 and the ceramic tube 20 forms a nozzle channel 24 which opens at the free end in a nozzle opening 26 which is limited by a constriction of the housing 20 be. The opposite end of the nozzle channel is connected to a swirl chamber 28 , into which a gas or air is introduced swirled through an inlet 30 . A pin-shaped electrode 32, which is electrically insulated from the housing 20 , is held at the bottom of the swirl chamber 28 , so that it projects coaxially into the nozzle channel 24 . The length of the nozzle channel 24 from the tip of the electrode 32 to the nozzle opening 26 is at least 10 mm, preferably at least 30 mm more. The housing 20 and the workpiece 16 are grounded, while an alternating voltage or possibly also a pulsed direct voltage with a frequency of the order of a few kHz and an amplitude of, for example, 10 to 30 kV is applied to the electrode 32 with the aid of a high-frequency generator 34 . When the voltage is stepped up, the effect of the ceramic tube 20 as a dielectric first leads to a corona discharge at the electrode 32 . An arc discharge is then ignited by this corona discharge either between the electrode 32 and the housing 20 or between the electrode and the workpiece 16 . The current amplitude of the arc discharge should be at least 100 mA. Due to the vortex-shaped flow of air, a vortex core is formed on the axis of the nozzle channel 24 and channels the arc 36 starting from the tip of the electrode 32 into the region of the mouth 26 . If the air flow through the nozzle channel is sufficiently high, the arc jumps onto the surface of the workpiece 14 , so that the oxide layer 18 is perforated. Since the arc 36 is entrained by the swirled air flow, which flows radially on the surface of the workpiece, the point of incidence of the arc does not remain stationary on the workpiece, but the arc always strikes the workpiece surface at changing locations, so that in the oxide layer 18 a plurality of statistically distributed craters 38 are formed. In the area of these craters 38 , the non-oxidized material of the workpiece is exposed, and since the craters are relatively narrow and deep, the formation of an oxide layer is delayed.
Im Arbeitsbereich des Schweißkopfes 12 kann dann Aluminium aus den einzel nen Kratern 38 verdampfen, so daß in dem Dampfraum über der Werkstücko berfläche eine ausreichende Anzahl leicht ionisierbarer Atome und Moleküle vor handen ist und ein Plasma gebildet wird, das ein gleichmäßiges und stabiles aufschmelzen des noch teilweise mit der Oxidschicht bedeckten Metalls begün stigt.In the working area of the welding head 12 , aluminum can then evaporate from the individual craters 38 , so that a sufficient number of easily ionizable atoms and molecules are present in the vapor space above the workpiece surface and a plasma is formed which melts the evenly and stably partially begün with the oxide layer covered metal.
Sofern die Schweißung mit dem Schweißkopf 12 unter Einsatz eines Schutzga ses erfolgt, sollte der Abstand zwischen der Plasmadüse 10 und dem Schweiß kopf so groß sein, daß das Schutzgas nicht durch die von der Plasmadüse ab strömende Luft fortgeblasen wird. Gegebenenfalls kann die Plasmadüse auch et was schräg angestellt sein, so daß die Luft hauptsächlich in der dem Schweiß kopf entgegengesetzten Richtung abströmt.If the welding with the welding head 12 is carried out using a protective gas, the distance between the plasma nozzle 10 and the welding head should be so large that the protective gas is not blown away by the air flowing from the plasma nozzle. If necessary, the plasma nozzle can also be set at an angle, so that the air flows mainly in the opposite direction to the welding head.
Da die Elektrode 32 im Inneren des geerdeten Gehäuses 18 liegt, werden Kurz schlüsse während des Betriebs der Plasmadüse zuverlässig ausgeschlossen.Since the electrode 32 is inside the grounded housing 18 , short circuits during the operation of the plasma nozzle are reliably excluded.
Die Plasmadüse 10 erzeugt neben dem heißen und stark ionisierten Lichtbogen 36 auch ein kühleres Plasma, das die Oberfläche des Werkstücks beaufschlagt und aufgrund seiner hohen Reaktivität zugleich eine effiziente Entfettung des Werkstücks bewirkt. In addition to the hot and strongly ionized arc 36 , the plasma nozzle 10 also generates a cooler plasma, which acts on the surface of the workpiece and, due to its high reactivity, at the same time brings about an efficient degreasing of the workpiece.
In einer abgewandelten Ausführungsform kann der Schweißkopf 12 auch in die Plasmadüse 10 integriert sein. Beispielsweise kann beim Laserschweißen der Laserstrahl durch die in diesem Fall hohl ausgebildtete Elektrode 32 hindurch auf das Werkstück gerichtet weden.In a modified embodiment, the welding head 12 can also be integrated into the plasma nozzle 10 . For example, during laser welding, the laser beam can be directed onto the workpiece through the electrode 32 , which is hollow in this case.
Bei dem in Fig. 2 illustrierten Verfahren wird die Plasmadüse 10 zum Entzun dern einer im Querschnitt dargestellten Schweißnaht 40 eingesetzt, auf deren Oberfläche sich eine relativ spröde oxidische Zunderschicht 42, gebildet hat. Durch den Lichtbogen 36 wird die Zunderschicht wieder an vielen statistisch verteilten Stellen perforiert. Aufgrund der schlagartigen Erwärmung und Ver dampfung des Materials werden dabei Stücke 44 der Zunderschicht abge sprengt. Versuche haben gezeigt, daß auf diese Weise die Zunderschicht 42 voll ständig entfernt werden kann, so daß sich die Schweißnaht anschließend pro blemlos lackieren läßt.In the method illustrated in FIG. 2, the plasma nozzle 10 is used to remove a weld seam 40 shown in cross section, on the surface of which a relatively brittle oxidic scale layer 42 has formed. The scale layer is perforated again at many statistically distributed locations by the arc 36 . Due to the sudden heating and evaporation of the material pieces 44 of the scale layer are blown off. Experiments have shown that in this way the scale layer 42 can be removed completely continuously, so that the weld seam can then be painted easily.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: PLASMATREAT GMBH, 33803 STEINHAGEN, DE |
|
8304 | Grant after examination procedure | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140101 |