DE2332070B2

DE2332070B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Plasma-MIG-Schweißen

Info

Publication number: DE2332070B2
Application number: DE2332070A
Authority: DE
Inventors: Peter Balsham Boughton; David Bernard Swann Horston Clarke
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-07-12
Filing date: 1973-06-23
Publication date: 1980-01-24
Also published as: SE394381B; DE2332070A1; AU467551B2; IT989806B; JPS4956853A; CH573788A5; BE802153A; AU5788373A; DE2332070C3; CA991280A; JPS5433228B2; FR2192434A1; NL7309450A; FR2192434B1; GB1340794A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Plasma-MIG-Schweißen, wobei ein Plasmalichtbogen

ίο in einem Gasstrom zwischen einer nichtabschmelzenden Elektrode und einer Hilfselektrode unterhalten wird, eine abschmelzende Elektrode koaxial in den Plasmastrom geführt wird und ein MIG-Lichtbogen zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem

\'j Werkstück aufrechterhalten wird.

Bei diesem Schweißverfahren kann entweder das Werkstück oder ein Teil des zum Durchführen des Verfahrens verwendeten Schweißbrenners, z. B. die Düse, als Hilfselektrode dienen; im ersten Fall wird

:n der Plasmalichtbogen als übertragener Lichtbogen

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Lichtbogen.

Das Ende der abschmelzenden Elektrode und des MIG-Lichtbogens werden beide von einem Plasmamantel umgeben, der durch den Plasmalichtbogen erzeugt wird. Der Plasmalichtbogen bat im wesentlichen die Aufgabe, hn Vergleich zur Verwendung des MIG-Lichtbogens allein, eine zusätzliche Erhitzung des Werkstückes zu schaffen, wodurch sehr viele Schweißarten und extrem hohe Abschmelzgeschwindigkeiten möglich werden. Insbesondere treten Wechselwirkungen zwischen dem Plasmasystem und dem MIG-Lichtbogensystem auf, die den Anwendungsbereich bestimmen, der Plasmalichtbogen und

η der MIG-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 dem d'e Lage des Angriffspunktes des Lichtbogens auf der abschmelzenden Elektrode innerhalb enger Grenzen scharf definiert ist. Der MIG-Lichtbogen nimmt jeweils soviel Strom auf, wie erforderlich ist, um die abschmelzende Elektrode in dem Maße abzuschmelzen, wie sie in den

γ. Plasmastrom geführt wird. Deshalb verlangt eine Erhöhung der Elektrodenzufuhrgeschwindigkeit einen größeren Strom von der MIG-Speisequelle. Diese hat eine verhältnismäßig flache Ausgangskennlinie, so daß der erforderliche Strom ohne erhebliche Verän-

vi derungder Klemmenspannung erhalten werden kann. Der MIG-Lichtbogen kann in einem weiten Strombereich von niedrigen Werten bis zu Werten von mehreren hundert A brennen. Der Plasmalichtbogenstrom jedoch wird, infogle der möglichen Ubererhitzung der

Vj nichtabschmelzenden 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

ho Schweißnaht mit tiefen Einbrand, die, abgesehen von der höheren verfügbaren Wärmemenge, ahnliche Eigenschaften hat wie eine übliche MIG-Naht. Bei Strömen im MIG-Lichtbogen von mehr als 250 A ergibt sich eine breite Naht mit geringem Einbrand. Dies

_hr_y ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß das EmJe der abschmelzenden Elektrode eine Schraubenlinie beschreibt, so daß sich der MIG-Lichtbogen in einem Kreis mit einer Größe etwa gleich dem Schmelzbad

dreht. Dieser Vorgang hängt teilweise ab von der Widerstandserwärmung der abschmelzenden Elektrode, wodurch diese plastisch wird.

Bei negativer Polarität der Elektroden kann die nichtabschmelzende Elektrode ohne Übererhitzung einen erheblich höheren Strom führen als bei positiver Polarität und deshalb wird beim Plasmaschweißen üblicherweise negative Polarität angewandt. Höhere MIG-Lichtbdgenströme können Verwendung finden, ohne daß der breite untiefe Schweißeft'ekt auftritt. Bei negativer Polarität ist der MIG-Lichtbogen jedoch weniger stabil im Betrieb. Dabei sind nicht nur die Bereiche möglicher Betriebsspannungen und -ströme beschränkter, sondern der Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes zwischen dem Plasmagas und dem äußeren Schutzgasstrom mu3 mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden, während der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück genau eingestellt werden muß. Die Ursache der bei negativer Polarität auftretenden Unstabilität ist das Verhalten des Lichtbogens an der abschmelzenden Eieklrude. In dci inerten Atmosphäre des Plasmagases, ζ. B. reines A. gon, hat der Kathodenfleck die Neigung, längs der negativen abschmelzenden Elektrode zu wandern. Der Angriffspunkt des Bogens verlagert sich auf der Elektrode und kann das Plasma-MIG-System stören. Infolgedessen kann der Bogen an der abschmelzenden Elektrode emporklettern und das Kontaktrohr oder die Düse zerschmelzen; bei übertragenem Plasmabogen kann sich die abschmelzende Elektrode so weit in Richtung des Werkstückes bewegen, daß der Plasmalichtbogen auf die abschmelzende Elektrode überspringt und schließlich gelöscht wird.

Die Erfindung bezweckt, die Stabilität des MIG-Lichtbogens bei negativer Polarität zu verbessern und das System auf höhere Strompegel bei sowohl negativer als positiver Polarität zu erweitern. Gemäß der Erfindung wird dies im wesentlichen dadurch erzielt, daß ein oxydierender Gasstrom in den Plasmastrom eingeführ. wird in einem Bereich, der zwischen den Enden der abschmelzenden und der nichtabschmelzenden Elektrode liegt.

Indem auf diese Weise ein oxydierendes Gas indem 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 des Wanderns des Kathodenflecks eine erhebliche Verringerung des Abstandes zwischen dem Kontaktrohr, durch welches hindurch die abschmelzende Elektrode zugeführt wird, und dem Ende der abschmelzenden Elektrode bzw. dem Werkstück. 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 MIG-Lichtbogen ohne den bei positiver Polarität auftretenden Dreheffekt. Auf diese Weise kann das ganze PJasmasystem näher an die Oberfläche des Werkstückes herangeführt werden, so daß infolge der höheren Wärmekonzentration den Wirkungsgrad erhöht, eine höhere Abschmelzges( hwindigkeit rlcr abschmelzenden Elektrode herbeiführt und, eine größe re Strombelastung der negativen nichtabschmel/enden Elektrode ermöglicht wird. Die Zufuhr des oxvdierenden 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 MIG-Lichtbogens bei positiver Polarität der Elektroden im allgemeinen nicht erforderlich ist, dient die Zufuhr eines oxydierenden Gasstromes zum Schutz vor Beschädigung der Düse oder des Kontaktrohres infolge eines Zurückbrennens des MIG-Lichtbogens. Der Abstand zwischen dem Ende des Kontaktrohres und dem Ende der nichtabschmelzenden Elektrode und auch der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück können verringert werden. Dadurch ergibt sich ein System mit höherer Wärmekonzentration 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 verringe η die Drehneigung der abschmelzenden Elektrode und erlauben einen höheren Arbeitsstrom bei einer bestimmten Rotation. Bei positiver Polarität kann der MIG-Lichtböge ι nunmehr auf Strompegel erweitert werden, die höher sind als die, welche normalerweise zur Erhaltung eines tief eindringenden Bogensystems möglich wären.

Es sei bemerkt, daß es beim MiG-Schweißen bekannt ist, den Lichtbogen durch Benutzung eines oxydierenden Gasgemisches als Schutzgas zu stabilisieren. Die Verwendung eines oxydierenden Gasgemisches als Plasmagas ist jedoch beim Plasma-MIG-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 veikürzv die Lebensdauer der nichtabschmelzenden Elektrode erheblich. Beim erfindungsgemäßen Verfahren v. ird die Oxydation der nichtabschmelzenden Elektrode dadurch verhindert, daß der oxydierende Gasstrom in einem Bereich zugeführt wird, der stromabwärts vom Ende der nichtabschmelzenden Elektrode liegt, so daß die oxydierende Atmosphäre nur die abschmelzende Elektrode und nicht die nichtabschmelzende 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.%. Der Zusatz eines solchen Gasgemische stabilisiert nicht nur den MIG-Lichtbogen, sondern ergibt auch eine regelmäßige Schweißraupe. Ein Gehalt von mehr als 10% Sauerstoff hat keine weitere Verbesserung zur Folge.

Vorzugsweise enthält der oxydierende Gasstrom 1 bis 3 Vol.% Sauerstoff. Ein Gemisch aus Argon und etwa 2% Sauers.off ergab die günstigsten allgemeinen Betriebsbedingungen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bd der der Plasmastrom durch die öffnung einer Düse geführt wird, die zwischen den betreffenden Enden der abschmel-/enden und der nichtabsthmclzenden Elektrode liegt, wird der oxydierende Gasstrom in der Höhe der Düsenöffnung in den Piasmastrom injiziert. Die Inicktion des oxydierenden Gases in die Düsenöffnnur -,liirki

den Plasmastrom und verursacht eine Einschnürung dieses Stromes mit einer damit einhergehenden Steigerung der Plasmaspannung.

Der oxydierende Gasstrom wird vorzugsweise in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung des Plasmastromes injiziert. Dadurch, daß das oxydierende Gas in einer Richtung quer zum Plasmastrom injiziert wird, kann es die abschmelzende Elektrode auf optimale Weise erreichen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Schweißbrenner, der ein Gehäuse mit einer Kammer. Mittel zur Führung eines inerten Gasstromes durch die Kammer, eine Düse mit einer Öffnung am stromabwärtsseitigcn Finde des Gehäuses, eine nichtahschmelzendc Elektrode in der Kammer sowie Mittel zur Führung einer abschmelzenden Elektrode durch die Düsenöffnung hindurch in der Stromungsrichtung des inerten Gasstromes aufweist; gemäß der Erfindung ist d'eser 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 Weise, auf die das oxydierende Gas eingeführt wird, ist nicht kritisch, sofern das Gas stromabwärts von der nichtabschmelzcnden Elektrode zugeführt wird. Die Verwendung mehrerer Injektionskanäle ist möglich, aber es hat sich herausgestellt, daß ein einziger Injektionskanal genügt. Mit einem einzigen Kanal und bei einem gegebenen in der Zeiteinheit zu injizierenden Gasvolumen ist eine Gasgeschwindigkeit erzielbar, die hoch genug ist. um den Plasmastrom zu durchdringen und den MIG-Lichtbogen zu stabilisieren.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Schweißbrenners gemäß der Erfindung mündet der Kanal zur Zuführung des oxydierendem Gases in die Düsenöffnung, vorzugsweise in radialer Richtung.

Bei dieser Anordnung läßt sich der oxydierende Gasstrom am wirkungsvollsten in die Düsenöffnung 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 Schweißvorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Schweißbrenner gemäß der Erfindung in Verbindung mit zwei Speisequellen zur Aufrechterhaltung eines Plasmalichtbogens zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode und einer Hilfselektrode und zum Aufrechterhalten eines MIG-Lichtbogens zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Schweißbrenner zum Plasma-MIG-Schweißen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner gemäß der Erfindung.

Zunächst wird das Verfahren gemäß der Erfindung an Hand der Fig. 1 beschrieben. Ein Plasmalichtbogen S wird zwischen einem als Hilfselektrode dienenden Werkstück C und einer nichtabschmelzenden Elektrode T, z. B. einer Wolframelektrode, in einem Gasstrom A, z. B. aus Argon unterhalten. Ein vom Piasmaiichtbogen erzeugter Plasmastrom B wird durch die öffnung N einer Düse E geführt. Eine abschmelzende Elektrode F wird axial in den Plasma-

strom Ii und durch die öffnung N hindurchgefühlt, wobei ein Bogen G' zwischen der abschmelzenden Elektrode F und dem Werkstück C aufrechterhallen wird. Die nichtabschmelzende Elektrode T ist mit der Minusklemme einer Speisequelle H und die abschmelzende Elektrode F ist mit der Minusklemme einer zweiten Spciscqucllc K verbunden; die Pluskletrmen der beiden Speisequellen H und K sind mit dem Werkstück C verbunden. Ein Schutzgas M, z. B. ein Gemisch aus Argon und Kohlenstoffdioxid, wird durch eine Düse L zugeführt. Ein zusätzlicher oxydierender Gasstrom O. /. B. ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff, wiril mittels eines Injektionskanals /'. der in die Düsenöftniing /V mündet, in der Höhe dieser Öffnung in den Plasmastrom injiziert.

lig. 2 zeigt ein Ausführungsbcispiel einer Scliweißvorrichtung zur Durchführung des Plasma-MIG-Schweißverfahrens gemall der Erfindung Die Vorrichtung i enthalt einen Schweißbrenner 2 mit einem Gehäuse 3. das mit einer Düse 5 mit einer Öffnung 7 versehen ist. Y:\\\ Elektrodenhalter 8 mit einer nichtabschmelzenden Elektrode 9,z. B. aus Wolfram, ist exzentrisch zur Düsenöffnung 7 im Gehäuse 3 angeordnet. Eine abschmelzende Elektrode wird mittels eine·· führungs- und Kontaktrohres 13 axial durch die Mitte der Düsenöffnung 7 geführt. Die Elektrode 11 wird mittels Rollen 15 zugeführt, die von einem Motor 17 rr-.-i regelbarer Geschwindigkeit angetrieben werden Der Schweißbrenner 2 weist weiter einen Zufuhrkanal 19 zur Zuführung eines Plasmagases, z. B. Argon, sowie Anschlüsse 21 zur Zuführung eines Schutzgases, z. B. ein Gemisch aus Argon und Kohlenstoffdioxid, auf. Das Gehäuse 3, der Elektrodenhalter 8 und das Kontaktrohr 13 sind mit Kühlkammern versehen; die Zeichnung zeigt nur die Kühlkammer 22 des Gehäuses, diese Kammern sind mit Anschlüssen 23', 23", 25', 25", 27'. 27" zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlwasser versehen. Die Wolframelektrode 9 ist über den Elektrodenhalter 8 und einen Hochfrequenzgenerator 31 mit der Minusklemme einer Speisequelle 29 verbunden. Die abschmelzende Elektrode 11 ist über das Führungsrohr 13 mit der Minusklemme 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 Gasstromes, z. B. eines Gemisches aus Argon und Sauerstoff, mündet in eine radiale Bohrung 39 in der Düse 5. welche Bohrung ihrerseits in die Düsenöffnung 7 mündet. Der Abstand zwischen der Düsenöffnung 5 und dem Werkstück 35 ist mil 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:

Plasmagas: Argon, etwa 3,5 I/min,

Schutzgas: Gemisch aus Argon und CO₂ mit 20 Vol.% CO₂, etwa 22 l/min,

oxydierendes Gas: Gemisch aus Argon und O₂ mit 2 Vol.% O₂, 5 l/min.

Es wurde eine Vorrichtung nach Fig. 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 Krfindung wurde an I land eines Ausfiihrungs- I'lusklcmmcn der Spciscqucllen und das Werkstück

beispiels beschrieben, bei dem die Elektroden nega- mit ilen Minusklcmmcn verbunden,

tive Polarität haben. Zur Durchführung des Verfall- Die [Erfindung bietet ebensolche Vorteile bei nicht

rens mit pc.sitiver Polarität der Elektroden kann die übertragenem Lichtbogen, wobei die wassergekühlte,

gleiche Vorrichtung wie bei negativer Polaritiit be- . kupferne Düse des Schweißbrenners als Hilfselek-

iHitzt werden; dabei werden die Klektmden mit den trode für den Plasmalichtbogen dient.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Plasma-MIG-Schweißen, wobei ein Plasmalichtbogen in einem Gasstrom zwischen einer nichtabschmelzenden Elektrode und einer Hilfselektrode unterhalten wird, eine abschmelzende Elektrode koaxial in den Plasmastrom geführt wird und ein MIG-Lichtbogen zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein oxydierender Gasstrom in den Plasmastrom eingeführt wird in einem Bereich, der zwischen den betreffenden Enden der abschmelzenden und der nichtabschmelzenden Elektrode liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oxydierende Gasstrom aus einem Gemisch aus einem inerten Gas und Sauerstoff raueinem Sauerstoffgehalt von höchstens 10 Vo!.% besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oxydierende Gasstrom 1 bis 3 Vol.% Sauerstoff enthält.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Plasmastrom durch die öffnung einer Düse hindurchgeführt wird, die zwischen den betreffenden Enden der abschmelzenden und der nichtabschmelzenden Elektrode liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der oxydierende Gasstrom in der Höhe der Düsenöffnung in den Plasmastrom injiziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß uer oxydierende Gasstrom in einer Richtung quer zur S.römungsrichtung des Plasmastromes injiziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oxydierende Gasstrom in einer zur Düsenöffnung radialen Richtung injiziert wird.

7. Schweiß-Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder 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 nichtabschmelzenden Elektrode in der Kammer sowie Mitteln zur Führung einer abschmelzenden Elektrode durch die Düsenöffni'üg hindurch in der Strömungsrichtung des inerten Gasstromes aufweist, 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.

H. Schweiß-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in die Düsenöffnung mündet.

'■). Schweiß-Vorrichtung nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in radialer Richtung in die Düsenöffnung mündet.

10. Schweiß-Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen Schweißbrenner gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 in Verbindung mit zwei Speisequellen zur Aufrechterhaltung eines Plasmalichlbogens zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode iiral einer Hilfselektrode bzw. eines MIG-Lichtbogens zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück.