DE2332070A1 - Verfahren und vorrichtung zum plasma-mig-schweissen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum plasma-mig-schweissen

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Description

PIB. 52.265 • KTö/v.li'.
Dipl.-Tc.-f. F.-.f JfTITRAiA
fcj. Y. Philips'Gloeüampenfabriekeo . AkJeNo. PHB-32.265
Anmeldung voiNi 22. JUÜl 1973
Verfahren und Vorrichtung zum Plasma-IilG-Schweissen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Plasraa-MIG-Schweissen, wobei ein Piasiaalichtbogen in einem Gasstrom zwischen einer nichtabschinelzenden Elektrode und einer Hilfselektrode unterhalten wird, eine abschmelzende Elektrode koaxial in den Piasisastrom geführt wird und ein MIG-Lichtbogen zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück aufrecht erhalten wird.
Bei diesem Schweissverfahren kann entweder das V/erkstück oder ein Teil des zum Durchführen des Verfahrens verwendeten Schweissbrenners, z.B. die Düse, als EiIfselektrode dienen; im ersten Fall wird dez* Piasinalichtbogen ale übertragener Lichtbogen bezeichnet, im letzteren Fall als nicht übertragener Lichtbogen.
Das Ende der abschmelzenden Elektrode und des J..IG-Lichtbogens werden beide von einem Plasmamantel ungeben, der durch den Plasmalichtbogen erzeugt wird. Der Plasjnalichtbogen hat in wesentlichen
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-2" PUB. 32.26')
die Aufgabe, in Vergleich zur Verwendung des LUG-Lichtbogens allein, eine zusätzliche Erhitzung des V/erkatückcs zu schaffen, wodurch sehr viele Schweissarten und extrea hohe Abschmeizgeschwindigkeiten möglich v/erden. Insbesondere treten '•iechselv/irkur.gen. «wischen den Plasiaasystcu und dem MIG-Lichtbogensystem auf, die den Anwendungsbereich bestimmen. Der Pl&smalichtbogen und der LIIG-Lichtbogen müssen die gleiche Polarität, entweder positiv oder negativ, haben, aber ihre Spannungen brauchen nicht gleich zu sein.
Bei positiver Polarität beider Elektroden ergibt sich ein stabiles System, bei den die Lage des 'Angriffspunktes des Lichtbogens auf der abschmelzenden Elektrode innez'halb enger Grenzen scharf definierb ist. Der MIG-Lichtbogen nimmt jeweils soviel Stron auf, als erforderlich ist, um die abschmelzende Elektrode in dem 1,-assG abzuschmelzen, wie aie in den P-lasinastrom geführt wird. Deshalb verlangt eine Erhöhung der Elektrodenzufuhrgeschv/indigkeit einen grösseren Strom von der MIG-Speisequelle. Diese hat eine verhältnisniässig flache Ausgangskennlinio, so dass der erforderliche Stron ohne erhebliche Veränderung der Klemmenspannung erhalten v/erden kann. Der LIiG-Lichtbogen kann in einem weiten Strombereich von niedrigen Werten bis zu V/erten von mehreren hundert A brennen. Der Plassalichtbogenstrom jedoch wird, infolge der möglichen Ubererhitzung der nichtabschnielzenden Elektrode, auf Stromstärken in der Grössenordnung von höchstens 100 A bei Stahlelektroden beschränkt. Bei Bedingungen, bei denen der MIG-Lichtbogen einen Strom von weniger als etwa 250 A aufnimmt, ergibt sich eine schmale Schweissnaht mit tiefen Einbrand, die, abgesehen von der höheren verfügbaren 'wärmemenge, ähnliche Eigenschaften hat wie eine übliche LIIG-lIaht. Bei Strömen im IJIG-Lichtbogen von mehr als 25O A ergibt sich eine breite Naht mit geringem Einbrand. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Ende der abschmelzenden Elektrode eine Schraubenlinie beschreibt, so dass sich der !.IIG-Lichtbogen in einem Xreis mit einer GrÖ3so etwa gleich
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-3- piia. y.i2fri
den Cchnelzbiid droht. Diesur Vorgang hängt tcilv/eicc ab vcn der "i/idvr-· stuvidijcrviärfiusi/j der abscl.'nelzenden Elektrode, vodurch ivi öse plastisch
ν; irt'd t ' ■
Bei negativ or Polarität der Elektroden kann die niclitf>l)achi"ielzende Elektrode ohno Ubererlritzung einen erheblich höheren Strom führen als bei positiver Polarität und deshalb wird beim Flanma.-schweissen üblicherweise negative Polarität angewandte Höhere KIC-Lichtbogenatröue können Verwendung finden, ohne dass der breite untiefe Schwoi.-jsefieki; auftritt. Bei negativer Polarität ist der LIIG-Lich'tbogen jodoch v/cniger stabil im Betrieb. Dabei sind nicht nur die Bereiche möglicher Betriebsspannungen und -ströme beschränkter, sondern d.er Aui'renhterhaltung des Gleichgewichtes zwischen dem Plc.sLiagas und den äuaseren Schutzgasstrom muss mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden, während der Abotand zwischen der Düse und dem Werkstück genau eingestellt v/erden muss. Die Ursache der bei negativer Polarität auf tretenden Unstabilität ist das_ Verhalten des Lichtbogens an der abschmelzenden Elektrode. In der inerten Atmosphäre des Plasrnagases, z.B. reines Argon, hat der Kathodenfleck die Üeigung, längs der negativen abschnelzonien Elektrode zu v/r.ndern. Der Angriffspunkt des Bogens verlagert sich auf der Elektrode und kann das Plasma-iJIG-System stören. Infolgedessen kann der Bogen an der abschmelzenden Elektrode ei.rporkletterii und das Kontaktrohr oder die Düse zerschmelzen} bei übertragenen Plasminogen kann uich die abschmelzende Elektrode so weit in Richtung des Werkstückes bewegen, dass der Plasnalichtbogen auf die abschmelzende Elektrode überspringt und schliesslich gelöscht wird.
Die Erfindung bezweckt, die Stabilität des i-IIG-Lichtbogens bei negativer Polarität zu verbessern und das System auf höhere Stro/<ipegel bei sowohl negativer als positiver Polarität zu erweitern. Gorr.üss der Erfindung wird dies im wesentlichen dadurch erzielt, dass,ein
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oxydierender Gasstrom in den Plasrnastroai eingeführt wird in einem Bereich, der zwischen den Enden der absclu.:elsenden und der nichtabschmelzenden Elektrode liegt.
Indem auf diese Weise ein oxydierendes Gas in dem Plasmastrom eingeführt -wird, wird wenigstens der „Endteil der abschmelzenden Elektrode durch die oxydierende Gasatmosphäre oxydiert, so dass das Wandern des Kathodenflecks auf der negativen abschmelzenden Elektrode verhindert wird und der Kathodenfleck eine genau bestimmte Stelle auf dieser Kathode einhält. Ausserdem ermöglicht die Verhütung dos Tfanderns des Kathodenflecks eine erhebliche Verringerung des Abstandes zwischen den Kontaktrohr, durch welches hindurch die abschmelzende Elektrode zugeführt v/lrd, und dem Ende der abschmelzenden Elektrode bzw. dem Y/erkstück. Dies hat erhebliche praktische Vorteile, weil es weniger schwierig ist, auf der kürzeren Strecke eine konzentrische Elektrodenzufuhr aufrechtzuerhalten, und weiter ergibt sich auch ein konzentrierterer LIIG-Lichtbogen ohne den bei positiver Polarität auftretenden Dreheffekt. Auf diese Weise kann das ganze Plasmasystem näher an die Oberflache des Yferkstückes herangeführt werden, so dass infolge der höheren Y/ärmekonzentration den Wirkungsgrad erhöht, eine höhere Abschmelzgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode herbeiführt und, eine grössere Strombelastung der negativen nichtabschmelzenden Elektrode ermöglicht wird. Die Zufuhr des oxydierenden Gases erhöht die Toleranz des MIG-Lichtbogens, so dass ein grösserer Bereich von Arbeitsströmen und -Spannungen Anwendung finden kann, während das System wenigstens ebenso stabil ist wie bei positiver Polarität.
Obgleich die Stabilisierung des luIG-Liohtbogens bei
positiver Polarität der Elektroden im allgemeinen nicht erfox'derlich ist, dient die Zufuhr eines oxydierenden Gasstromen zum Schutz vor Beschädigung der Düse oder des Kontaktrohrc3 infolge eines Zurückbrennens des MIG-Lichtbogens. Der Abstand zwischen dem Ende dos Kontakt-
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rohrea und dom Ende der nichtabochaelzenden Elektrode und auch der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück können verringert v/erden. Dadurch ergibt sich ein System mit höherer Y/ärme konzentrat ion auf dem Werkstück. Ausserdem wird die Neigung zur Bildung eines sich drehenden MIG-Lichtbogens verringert, was teilweise auf die verringerten Abmessungen und teilweise auf die verringerte Widerstandserhitzung der abschmelzenden Elektrode zurückzuführen ist. Diese beiden Effekte zusammen verringern die Drehneigung der abschmelzenden Elektrode und erlauben einen höheren Arbeitsstrora bei einer bestimmten Rotation. Bei positiver Polarität kann der MIG-Lichtbogen nunmehr auf Strompegel ervreitert werden} die höher sind als die, welche normalerweise zur Erhaltung eines tief eindringenden Bogensystems möglich wären.
Es sei bemerkt, dass es beim LIIG-Schweissen bekannt ist, den Lichtbogen durch Benutzung einen oxydierenden Gasgemisches als Schutzgas zu stabilisieren. Die Verwendung eines oxydierenden Gasgemisches als Plasmagas ist jedoch beim Plasma-LIIG-Schweissen nicht erlaubt} um eine Oxydation der nichtabschmelzenden Elektrode zu verhindern, muss der Plasmalichtbogen in einer inerten Atmosphäre brennen; die zum Erhalten guter Ergebnisse erforderliche Menge an oxydierendem Gas verkürzt die Lebensdauer der nichtabschmelzenden Elektrode erheblich. Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Oxydation der nichtabschmelzenden Elektrode dadurch verhindert, dass der oxydierende Gasstrom in einem Bereich zugeführt wird, der stromabwärts vom Ende der nichtabschmelzenderi Elektrode liegt, so dass die oxydierende Atmosphäre nur die abschmelzende Elektrode und nicht die nichtabschnelzende Elektrode beeinflusst.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens besteht der oxydierende Gasstrom aus einem Gemisch aus einem inerten Gas und Sauerstoff mit einem Sauerstoffgehalt von höchstens 10 Vol.$-0. Der Zusatz eines solchen Gasgemisches stabilisiert nicht nur den MIG-Lichtbogen, sondern ergibt auch eine regelmässige Sch7jeissraupe.
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Ein Gehalt von mehr als 1O/o Sauerstoff hat keine weitere Vorbesserun.j zur Folge.
Vorzugsweise enthält der oxydierende Gasstron 1 bis 3 Yol,fo Sauerstoff. Ein Gemisch aus Argon und etwa 2 ?o Sauerstoff ergab die günstigsten allgemeinen Betriebsbedingungen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsfor.a des erfindungsgemässen Verfahrens*, bei der der Plasiaastroci' durch die öffnung einer Düse geführt wird, die zwischen den betreffenden Enden der abschmelzenden und der nichtabschmelz enden Elektrode liegt, wird der oxydierende Gasstrom in der Höhe der Düsenöffnung in den Plaamastrom injiziert· Die Injektion des oxydierenden Gases in die Düsenöffnung stärkt den Plasnastrom und verursacht eine Einschnürung dieses Stromes mit einer damit einhergehenden Steigerung der Plasmaspannung.
Der oxydierende Gasstrom wird vorzugsv/eise in einer Richtung quer zur Strönungsrichtung des Plasmastromes injiziert. Dadurch, dass das oxydierende Gas in einer Richtung quer zum Plasmastrom injiziert wird, kann es die ab se lime Iz ende Elektrode auf optimale Weise erreichen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Schweissbrenner, der eins Gehäuse mit einer Kammer, Idittel zur Führung eines inerten Gasstromes durch die Kammer, eine Düse mit einer Öffnung an stromabwärtsseitigen Ende des Gehäuses, eine nichtabschmelzende Elektrode in der Kammer sowie H^ttel zur Führung einer abschmelzenden Elektrode durch die Düsenöffnung hindurch in der Strömungsrichtung des inerten Gasstromes aufweist; genäss dar Erfindung ist dieser Schweissbrenner gekennzeichnet durch mindestens einen Kanal zum Einbringen" eines oxydierenden Gases in dem inerten Gasstrom in einem zwischen den betreffenden Enden der anschmelzenden und der nicht abschmelzenden Elektrode gelegenen Bereich. Die V/eise, auf die das oxydierende Gas eingeführt wird,
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ist nicht kritisch, _sofern da3 Gas stromabwärts von der den Elektrode zugeführt τ/ird. Die Verwendung nißhrerer Injektionskanäle ifst nöfrlich, aber es hat sich herausgestellt, dass ein einziger Injcktionskaixal genügt. Llit einem einzigen Kanal und bei einem gegebenen in dor Zeiteinheit zu injizierenden Gasvoluaen ist eine Gasgeschwindigkeit erzielbar, die hoch genug ist, um den Plasnastrom zu durchdringen und den MIG-Lichtbogen zu stabilisieren
Bei einer bevorzugten Ausführungsfora des Schv/eiosbrenners gGJiüiss der Erfindung mündet der Kanal zur Zuführung des oxydierenden Gases in die Düsenöifnung, vorzugsweise in radialer Richtung.
Bei diese Anordnung lässt sich der oxydierende Gasstrom
aia wirkungsvollsten in die Büsenoffnung und gezielt in radialer Richtung injizieren, um möglichst leicht durch den Plasmastrom hindurchzudringen und die abschmelzende Elektrode zu erreichen.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete SchweissvojcTichtung ist gekennzeichnet durch einen Schweissbrenner geniäsa der Erfindung in Verbindung mit zwei Spei sequel I en zur Aufrechterhaltung eines Plasnalichtbogens zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode und einer Hilfselektrode und zua Aufrechterhalten eines LIIG-Lichtbogens zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück·
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtt
Figur 1 scheaatisch einen Seht/eis sbrenner zum Plasma-I.ilG-Schweissen gernäss der Erfindung,
Figur 2 eine Schweissvorrichtung mit einen Schvfeissbrenner gemäss der Erfindung.
Zunächst wird das Verfahren gemäss der Erfindung an Hand der Figur 1 beschrieben. Ein Plasualichtbogen S wird zwischen einem als Hilfselektrode dienenden Werkstück C und einer nichtabschmelzenden Elektrode T, z.B. einer T/olframeloktrode, in einem Gasstrom A, z.B. au?
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BAD ORlGiNAL
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Argon unterhalten. Ein von Plas.".ialichthoi,en erzeugter Plasiaastroia 'B wird durch die Öffnung 27 einer Düse E" geführt. Eine abschmelzende Elektrode F wird axial in den Plasrcastron B und durch die Öffnung 2ϊ hindurchgeführt, wobei ein Bogen G zwischen der abschmelzenden Elektrode F und dem Werkstück C aufrechterhalten wird. Die. ni-chtabschr.ielzende Elektrode T ist mit der LIi mis klemme einer Speisequelle H und die abschmelzende Elektrode F ist mit der llinusklenme einer zweiten Speisequelle K verbunden; die Pluskleninen der beiden Speisequellen H und K sind mit den Werkstück C verbunden. Ein Schutzgas M, z.B. ein Gemisch aus Argon und Kohlenstoffdioxid, wird durch eine Düse L zugeführt« Ein zusätzlicher oxydierender Gasstrom 0, ζ.3. ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff, v/ird mittels eines injektionskanales P, der in die Düsenöffnung Ii mündet, in der Höhe dieser Öffnung in den Plasmastrom injiziert.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schweissvorrichtung zur Durchführung des Plasma-LIIG-Schweissverfahrens genäss der Erfindung. Die Vorrichtung J- enthält einen Schweissbrenner 2_ mit einem Gehäuse 3» .das mit einer Düse 5 ciit einer Öffnung 7 versehen ist. Ein Elektrodenhalter 8 mit einer nichtabschaelzenden Elektrode 9» z.B. aus Wolfram, ist exzentrisch zur Düsenöffnung 7 im Gehäuse 3 angeordnet. Eine ab sehne Iz ende Elektrode v/ird mittels eines Führungs- und Kontaktrohres 13 axial durch die Lutte der Lüsenöffnung '] geführt. Die Elektrode 11 wird mittels Rollen I5 zugeführt, die von einem L'otor 17 mit regelbarer Geschwindigkeit angetrieben"werden. Der Schweissbrenner _2 weiat weiter einen Zufuhrkanal I9 zur Zuführung eines Plasnagases, z.B. Argon, sowie Anschlüsse 21 zur Zuführung eines Schutzgases, z.S. ein Genisch aus Argon und Kohlenstoffdioxid, auf. Dan Gehäuse 3, der Elektrodenhalter 8 und da3 Kontaktrohr 13 sind mit Kühlkammern versehen; die Zeichnung zeigt nur die Kühlkanter 22 des Gehäuses. Diese Kanmern sind mit Anschlüssen 23', 23'·, 25', 25'', 27', 27" zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlwasser verso-hen. Die V/olfraraele·:t;-ode 9 ist über don Kl okirodon-
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_9- PKB. 32.265
halter 8 und einen Hochfrequenzgenerator 31 mit der Llinusklemme einer Speisequelle 29 verbunden. Die abschmelzende Elektrode 11 ist über das Führungsrohr 13 mit der ilinuskleame einer .zweiten Speisequelle 33 verbunden» Ein Werkstück 35 ist mit den Plusklemmen der beiden Speisequellen 39 und 33 verbunden. Ein Rohr 32 zur injektion eines zusätzlichen oxydierenden Gasstrones, z.B. eines Gemisches aus Argon und Sauerstoff, mündet in eine radiale Bohrung 39 in der Düse 5» weiche Bohrung ihrerseits in die Düsenöffnung 7 mündet. Der Abstand zwischen der Düsenöffnung 5 und dem Y/erkstück 35 ist mit X und der Abstand zwischen dem Ende des Führungsrohres 13 und dem Werkstück 35 mit Y bezeichnet; der Durchmesser der Düsenöffnung 7 ist mit D-und der Innendurchmesser des Injektionsrohres 32 mit d bezeichnet.
Bei Versuchen wurden die besten Ergebnisse mit den nachstehenden Gaszusammensetzungen und Gaszufuhrgeschwindigkeiten erzielt χ Plasmagas j Argon, etwa 3>5 l/min,
Schutzgas: Gemisch aus Argon und CO mit 20 Vol.$ CO2, etwa 22 l/min,
Oxydierendes Gast Gemisch aus Argon und O9 mit 2 Vol.^o 0_, 5 l/min.
Es wurde eine Vorrichtung nach Figur 2 verwendet, bei der der "Durchmesser D der Düsenöffnung zwischen 8 und 10 mm und der Innendurchmesser d des Injektionsrohres 1,5 mm betrugen.
Die Erfindung wurde an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem die Elektroden negative Polarität haben. Zur Durchführung des Verfahrens mit positiver Polarität der Elektroden kann die gleiche Vorrichtung wie bei negativer Polarität benutzt werden; dabei werden die Elektroden mit den Plusklemmen der Speisequellen und das Werkstück mit den lainusklemmen verbunden.
Die Erfindung bietet ebensolche Vorteile bei nicht übertragenein Lichtbogen, wobei die wassergekühlte, kupferne Düse des Schweissbrenners als Hilföolektrode für den Plasmalichtbogen dient.
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Claims (10)

PHB.-32.265 Patentansprüche:
1. Verfahren zun Plasiaa-MiG-Schweissen, wobei ein Plasraa- lichtbogen in eineu Gasstrom zwischen einer nichtabschraGlaendeii Eloktrodo und einer Hilfselektrode unterhalten wird, eine abschmelzende Elektrode koaxial in den Plasmastrom.geführt wird und ein LIlG-Lichtoogon zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Yferkstück aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein oxydierender Gasstrom in den Plasma-
- strom eingeführt wird'in einen Bereich, der zwischen den botreffenden Enden der abschmelzenden und der nich'tabschraelzenden Elektrode liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oxydierende Gasstrom aus eines Geiaisch au3 einem inerten Gas und Sauerstoff mit einem Sauerstoffgehalt von höchstens 10 Vol.jS besteht. 3· · Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oxydierende Gasstrom 1 bis
3 Vol.J^ Sauerstoff enthält.
4. Verfahren nach einen der vorstehenden Ansprüche, bei dem
der Plasmastrom durch die öffnung einer Düse hindurchgeführt wird, die zwischen den betreffenden Enden der abschmelzenden und der nichtabschjnelzenden Elektrode liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der oxydierende Gasstrom in der Höhe der Düsenöffnung in den Plasnastroin injiziert wird,
5· Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass
der oxydierende Gasstrom in einer Richtung quer zur Sirörnungsrichtung des PlasEiastroroes injiziert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass
der oxydierende Gasstrom in einer zur Düsenöffnung radialen Richtung injiziert wird·
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7. Schweiß-Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem ocler mehreren der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Gehäuse mit einer Kammer, Mitteln zur Durchleitung eines inerten Gasstromes durch die Kammer, einer Düse mit einer Öffnung am stromabwärtsseitigen Ende des Gehäuses, einer nichtabsehmelzenden Elektrode in der Kammer, sowie Mitteln zur Führung einer abschmelzenden Elektrode durch die Düsenöffnung hindurch in der Strömungsrichtung des inerten Gasstromes auf v/eist, gekennzeichnet durch mindestens einen Kanal zum Einbringen eines oxydierenden Gases in den inerten Gasstrom in einem zwischen den betreffenden Enden der abschmelzenden und der nichtabschmelzenden Elektrode gelegenen Bereich.
8. Schweiß-Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in die Düsenöffnung mündet.· λ
9. Schweiß-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal· in radialer Richtung in die Düsenöffnung mündet.
10. Sehweiß-Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen Schweißbrenner gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 in Verbindung mit zwei Speisequellen zur Aufrechterhaltung eines Plasmalichtbogens zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode und einer Hilfselektrode bzw. eines MIG-Lichtbogens zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem V/erkstück.
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