DE2332070C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Plasma-MIG-Schweißen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Plasma-MIG-Schweißen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Plasma-MIG-Schweißen, wobei ein Plasmalicht'jogen
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 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 der Plasmalichtbogen als übertragener Lichtbogen bezeichnet, im letzteren Fall als nicht übertragbarer Lichtbogen.
Das Ende der abschmelzenden Elektrode und des MIG-Lichtbogens werden beide von einem Plasmamantel umgeben, der durch den Plasmalichtbogen erzeugt wird. Der Plasmalichtbogen hat im wesentlichen die Aufgabe, im 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
j5 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 die 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
4-, 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-
-,o derung der 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
v, 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, ähnliche 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
hl ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß das Ende der abschmelzenden Elektrode eine Schraubenlinie beschreibt, so daß sich der MIG-Lichtbogen in einem Kreis mit einer Grüße 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 Ubererhitzung einen erheblich höheren Strom führen als bei positiver Polarität und deshalb wird beim Plasmaschweißen üblicherweise negative Polarität angewandt. Höhere MIG-Lichtbogenströme können Verwendung finden, ohne daß derbreite untiefe Schweißeffekt 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 muß 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 Elektrode. In der inerten Atmosphäre des Plasmagases, z. B. reines Argon. 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 eingeführt wird in einem Bereich, der zwischen den Enden der abschmelzenden 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 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 Plasmasystem näher an die Oberfläche des Werkstückes herangeführt werden, so daß infolge der höheren Wärmekonzentration den Wirkungsgrad erhöht, eine höhere Abschmelzgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode herbeiführt und, eine großer.; Strombelastung der negativen nichtabschmelzcnden E'ektrode ermöglicht wird. Die Zufuhr des oxydierenden Gases erhöht die Toleranz
des MIG-Lichtbogens, so daß ein jrößerer 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 verringern die Drehneigung der abschmelzenden Elektrode und erlauben einen höheren Arbeitsstrom bei einer bestimmten Rotation. Bei positiver Polarität kann der MIG-L;chtbogen nunmehr auf Strompegel erweitert werden, die höher sii.d 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 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 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 Gasgemisches stabilisiert nicht nur den MIG-Lichtbogen, sondern ei^iht 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% Sauerstoff ergab die günstigsten allgemeinen Betriebsbedingungen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der eier Pias mastrom durch die öffnung einer Düse geführt wird, die zwischen den betreffenden Enden der abschmelzenden und der nichtr-bschmelzendcn Elektrode liegt, wird der oxydierende Gasstrom in der Höhe der Düscnöffnung in den Plasmastrom injiziert. Die In jektion des oxydierenden Gases in die Düscnöffnunji stärkt
den Plasmastrom iiiul verursacht cine Einschnürung dieses Stromes mit einer damit einhergehenden Steigerung der Plasmaspannung.
Der oxydierende Gasstrom wird vorzugsweise in einer Richtung quer zur Strömlingsrichtung lies Plasinastromes injiziert. Dadurch, daß das oxydierende Gas in einer Richtung ψιη 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 Führungcincs inerten Gasstromes durch die Kammer, eine Düse mit einer öffnung am stromabwiirtsseitigen Finde des Gehäuses, eine nichtabschmelzende Elektrode in der Kammer sowie Mittel zur Führung einer abschmelzenden Elektrode durch die Düsenöffnung hindurch in der Strömungsrichtung des inerten Gasstromes aufweist: gemäß der 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 abschmelzenden 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 nichtabschmelzendcn 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 oxydierenden Gases in die Düsenöffnung, vorzugsweise in radialer Richtung.
Bei dieser Anordnung läßt sich der oxydierende Gasstrom am wirkungsvollsten in die Düsenöffnung und gez.ielt in radialer Richtung injizieren, um möglichst ieichi durch den Piasmastrom ninaurchzuriringen 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 Aufrechterhaltungeines 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 5 wird zwischen einem als Hilfselektrode dienenden Werkstück C und einer nichtabschmelzenden Elektrode Γ, z. B. einer Wolframelektrode, in einem Gasstrom A, z. B. aus Argon unterhalten. Ein vorn Plasmalichtbogen erzeugter Plasmastrom B wird durch die Öffnung N einer Düse E geführt. Eine abschmelzende Elektrode F wird axial in den Plasmastiom Ii und durch die Öffnung /V hindurchgel'ührt. wobei ein Bogen (;' /wischen der abschmelzenden Elektrode /·' und dem Werkstück C aufrechterhalten wird. Die niehtabschmel/endc Elektrode T ist mit ilci MiiHisklemme einer .Speisequelle // und die abschmelzende Elektrode /·' ist mit der Minusklemmc einer /weiten Speisequelle K verbunden; die Plusklemmen der beiden Speisequellen // und K sind mit dem Werkstück C verbunden. Ein Schutzgas Λ/. z. B. ein Gemisch aus Argon und Kohlcnstoffdioxid. wird durch eine Düse L zugeführt. Ein zusätzlicher oxydierender Gasstrom O. /.. ti. ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff, wird mittels eines Injcktionskaiials /'. der ill die Düsenöffnung N mündet, in der Hohe dieser Öffnung in den Plasmastrom injiziert.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des Plasma-MIG-Schweißverfahrens gcmiiL! der Erfindung. Die Vorrichtung 1 enthält einen Schweißbrenner 2 mit einem Gehäuse 3, das mit einer Düse S mit einer Öffnung 7 versehen ist. Ein 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 eines Führungs- und Kontaktrohres 13 axial durch die Mitte Jer Düsenöffnung 7 geführt. Die Elektrode 11 wird mi'tels Rollen 15 zugeführt, die von einem Motor 17 mit regelbarer Geschwindigkeit angetrieben werden. Der Schweißbrenner 2 weist weiter einen Zufuhrkanal 19 zur Zuführung eines Plasmagases. z. 13. Argon, sowie Anschlüsse 21 iur 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 verschen. Die Wolframelektrode 9 ist über den Elektrodenhalter 8 und einen Hochfrequenzgenerator 31 mit der Minusklemme einer Speisequelle 29 verbunden. Die abschmeizenue Elektrode ίί ist über das Führungsrohr 13 mit der Minusklemme einer zweiten Speisequelle 33 verbunden. Ein Werkstück 35 ist mit den Plusklemmender 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, weiche Bohrung ihrerseits in die Düsenöffnung 7 mündet. Der Abstand zwischen der Düsenöffnung 5 und dem Werkstück 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:
Plasmagas: Argon, etwa 3,5 l/min,
Schutzgas: Gemisch aus Argon und CO2 mit 20 VoI. % CO2, etwa 22 I/min,
oxydierendes Gas: Gemisch aus Argon und O2 mit 2 Vol.% O2, 5 I/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 Erfindung wurde an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei clem 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 Minusklemmen verbunden.
Die Erfindung bietet ebensolche Vorteile bei nicht übertragenem Lichtbogen, wobei die wassergekühlte, kupferne Düse des Schweißbrenners als Hilfselektrode für den Plasmalichtbogen dient.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

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 mit einem Sauerstoffgehalt von höchstens 10 Vol.% besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oxydierende Gasstrom I bis 3 Vol.% Sauerstoff enthält.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Plasmastrom durch die öffnung einer Düse hindurchgefü/irt 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 der oxydierende Gasstrom in einer Richtung quer zur Ström vigsrichtung 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 Düsenöffnung 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.
8. Schweiß-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in die Düsenöffnung mündet.
9. Schweiß-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in radialer Richtung in die Düscnöffnung mündet.
K). Schweiß-Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen Schweißbrenner genial.', einem der Ansprüche 7 bis l) in Verbindung mit zwei SpcisequellcM zur Aufrechlerlialtung eines l'lasmalichtbogcns /wischen der nichtabschmel/enden Filektrode und einer Hilfselektrode b/w. eines MIG-Lichtbogens zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück.
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