DE2333433A1

DE2333433A1 - Verfahren zur elektrischen schweissung mit uebertragenem plasma und schweissbrenner zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2333433A1
Application number: DE19732333433
Authority: DE
Inventors: Francis Cuny; Paul Demars; Joseph Garrigoux; Christian Tassart
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-30
Publication date: 1974-01-24
Also published as: FR2190561A1; JPS5638307B2; IT992592B; ZA734293B; AU5746673A; DE2333433C2; NL175779B; NL175779C; AU470460B2; BE801790A; FR2190561B1; ES416505A1; JPS4956858A; US3928745A; CA993053A; GB1435998A; NL7309240A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schweißverfahren mit übertragenem Plasma, bei welchem man unmittelbar ein Bogenplasma zwischen einer Elektrode eines RohrSchweißbrenners, der das Plasma erzeugende Gas liefert, und einer aus dem zu schweißenden Stück bestehenden Gegenelektrode bildet. Bekanntlich wird Schweißbogenplasma dadurch erhalten, daß man in einem Gasmilieu einen elektrischen Bogen sich entladen läßt, der einer Energieeinschnürung ausgesetzt ist. Auf diese Welse verfügt man über

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ein Schweißmittel, das zahlreiche Vorteile, insbesondere eine neue spezifische Heizleistung, die Möglichkeit zur Auswahl zwischen verschiedenen Plasma erzeugenden Gasen und Schutzgasen, die Möglichkeit zum Schweißen mit sogenanntem sich öffnendem Schlüssallochstrahl, d.h. einem Strahl, der das zu schweißende Stück völlig durchsetzt, und einer großen Toleranz gegenüber erheblichen Schwankungen der Bogenlänge bietet. Dieses Schweißverfahren erweist sich jedoch als in Wirklichkeit nur für die Schweißung von Blechen relativ geringer Dicke brauchbar. Beispielsweise kann man nach diesem Verfahren nur Bleche aus nicht oxidierendem Stahl einer maximalen Dicke in der Größenordnung von 7 mm stumpf ohne Schweißbad in einem Durchgang und ohne Gegenstütze schweißen. Jenseits dieser Dicke wird das Verfahren industriell unbrauchbar. Im Laboratorium und mit besonders sorgfältigen Vorsichtsmaßnahmen und gewissen Kniffen kann man bis zu 10, bisweilen 12 mm gehen, aber die so gesammelten Erfahrungen sind schwer auf die Industriepraxis zu übertragen.

Die Erfindung hat sich ein vervollkommnetes S chweiß verfahr en mit übertragenem Plasma zur Aufgabe gestellt, das alle oben erwähnten Vorteile bietet, außerdem aber gestattet, industriemäßig in einem einzigen Durchgang und ohne Gegenlager Stücke einer Dicke von beträchtlich mehr als 7 mm, die bei nicht oxidierenden Stählen bis zu 14 mm gehen kann, stumpf zu schweißen.

Dieser technische Fortschritt ist aufgrund einer sorgfältigen Untersuchung der Art und Weise möglich geworden, in der die Einschnürung des Plasma erfolgt. Bei allen -gegenwärtig benutzten Schweißköpfen ist die Elektrode im Inneren der Düse genügend

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breit, und sie endet in einem zylindrischen Kanal jenseits des Halsas eines konvergierenden Düsenteiles. Dieser Kanal umschließt das Plasma und schnürt es ein, und diese Verfahrensweise, die nahezu allgemein angewandt wird, führt bei Anwendung einer guten Kühlung des Düsenendteiles zur Erzeugung eines relativ engen und energiereichen übertragenen Plasmastrahles. Zur genauen Gewährleistung eines Plasmaschweißverfahrens und der Methode des sich erweiternden Strahles, die praktisch für die Schweißung von dicken Blechen ohne Widerlager notwendig ist, ist es bekanntlich zweckmäßig, daß die Schmelzzone in einer Schnittebene senkrecht zur Vorschubbewegung des Stückes gegenüber dem Plasmastrahl eine Form hat, bei der ein stark ausgebauchter oberer Teil einen ziemlich eingeschnürten unteren Teil überlagert, der die rasche Erstarrung der Wurzel begünstigt und infolgedessen einen wirksamen Halt für den noch flüssigen obe ren Teil der Schweißraupe darstellt. Die Stabilität des Schmelz bades erweist sich dann erhöht, wenn die Höhe des ausgebauchten oberen Teiles klein im Verhältnis zur Gesamthöhe der Schmelzzone ist.

Die Erfahrung zeigt, daß je länger der Einschnürungskanal ist, desto größer der Eindringungseffekt ist. Je kürzer dagegen der Einschnürungskanal ist, desto mehr neigt das Plasma dazu, sich auszubreiten. Die gegenwärtigen Vorschläge gehen daher in jedem Fall dahin, Abmessungen des Einschnürungskanals, insbesondere seine Länge in der Art vorzusehen, daß man ein Grundprofil der vorstehend beschriebenen Schweißtype erhält und dieses allein sich an die Sicherstellung einer passenden Schv/eißung anpassen

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läßt. Gleichwohl ist es niemals möglich gewesen, industriell 3lacha aus nicht oxidierendem Stahl einer größeren Dicke als 7 πια zu schweißen; denn wenn man die Kanallänge vergrößert, um so einen starreren und schmaleren Plasmastrah1 zu erzeugen, war zwar die Eindringungskraft verstärkt, aber die Schmelzzone hatte eine mangelhafte Gestaltung, die den Zusammenfall des Bades begünstigte. Der Arbeitsvorgang ähnelte dann mehr einem einfachen thermischen Schneidvorgang und nicht einem Schweißvorgangr. Eine Verminderung der Kanallänge führte dagegen zu einer Verbreiterung des Plasmastrahles unter Bildung eines Bades mit starker oberer Ausdehnung, jedoch zum Schaden des Eindringungseffektes.

diese Schwierigkeit der Schweißung von sehr dicken Blechen zu beheben, wurde"zunächst daran gedacht, daß man die Einschnürung des übertragenen Plasmas zwischen zwei Elektroden nicht mehr auf mechanischem Wege, wie dies in der Plasmaschweißtechnik bekannt war, sondern auf rein pneumatischem Wege erwirken könnte. Es wurde schon vorgeschlagen, eine Umformung eines Plasmas auf pneumatischem Wege sicherzustellen, indem man das eine Elektrodenende aus der Düse vorspringen läßt, ein poröses Material zur Fertigung einer Elektrode wählt und das Plasma erzeugende Gas quer zu dieser einführt. Diese Art der Erzeugung einer Plasmasäule frei von jedem Einschluß setzte aber iia wesentlichen voraus, daß sich in dieses Plasma ein Trägerstroin für feste Teilchen einführen ließ, der zwischen der Elektrode und der Düse eingestellt wurde, um auf dieses Strömungsmittel und diese Teilchen eine hohe thermische Energie zu übertragen. Bei diesen Vorschlag handelt es sich um einen Bogen

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nicht Voss "iibertraganen" Typ, sondern vom "angeblasenen" Typ [jenseits ainar Gegenelektrode, die ainzig dia Aufgabe hat, die ZtSndu&g und Aufrachterhaltung des Bogens zu gestatten- Dar Versuch, einen, solchen angeblasenen Bogen fur dia Stumpfschweißung von dicken Blechen zu benutzen, hätte zu einem gewissen Fehl— scalag geführt. Das Verdienst dar Erfindung besteht darin» festgestellt zu haben» daß man. zu einem Erfolg gelangt _t indem man einen solchen Plaseabogen sit pneumatischer Einschnürung einsetzt:* indew nan üradle Merkmale «»t"*»« übertragenen Bogens für die Sefaweißung -von dickeren Blechen als 7 mm. in <»<wm Durchgang erteilt.

BeI de» Verfahren geseäfi der Erfindung erzeugt ean einen Plasaa erzeugenden Gasfluß, dessen einer Teil stroeiaufwärts ringföreig üb diese Slaktrode 1st und einen Querschnitt hat_r der durch mechanische Einwirkung bis auf einen Mindestquarschnitt unter Konvergierung seiner inneren und äußeren Konturen abnioat, und dar jenseits <*1**μ^»« Mindestquerschnittes einen Tail abstroasel— tig aufweist, dessen Querschnitt durch gegftbenenfal Is geregelte Divergenz seiner äußeren Kontur zunimmt« wobei man

die Stellung der Elektrode derart ragalt, daß die Siostehung des BogexBS sich jenseits des konvergierenden aufstroBsseltlgeu vollzieht.

BJsua bei dieser Schweißtechnik für dicke Bleche -auf Jede ForegebTaag des Plasmas verzichtet_r &Jh.. ■ Ιττγ?^ mam

die Elaktroda nicht Baebr im -Enneraa das koairargieireiidea Teiles eiiaas kottvaacgiareAOen» Flasiaa erzeageniäen Gasf lnsses aaaEciaefcr

t. sicfe sj*w ayUoÄriscäsÄr FluSteil macFtaTilscit eingacfaiirt. _g

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jedoch andererseits in einem frei divergierenden Teil des Plasma, erzeugenden Gasflusses jenseits eines mechanisch festgelegten I-onvergierenäen Teiles und zwar derart anschließt, daß der Ansatz des Elektrodenbogens, d.h. seine Sntstehungszone, sich in jedem Fall auf der Höhe des Kindestquerschnittes zwischen dan konvergierenden und divergierenden Teilen oder jenseits dieser befindet, und indes man andererseits jede mechanische Beanspruchung dar Bogeneinschnürung unterläßt, stellt man die Bildung .eines Plasmabogens sicher, der für die Schweißung von sehr dicken Blechen besonders geeignet ist. Es konnte festgestellt werden, daß, wenn das Querprofil der Schweißraupe die bekannte und wünschenswerte Form mit oberer Ausbauchung, wie oben erläutert, wieder annicant und noch verbessert wird, das üängsprofil der flüssigen Metallfront dagegen stark verschieden von demjenigen der bekannten Technik ist. Nach letzterer stellt: sich die flüssige Metallfront im Schnitt als V—fönaige Verzweigung dar, deren Baum zwischen den Schenkeln die Eindringungszone des Plasssa. darstellt. Bei der Technik nach der Erfindung besitzt cfie flüssige Sfetallfront einen rückwärtigen Teil betrachtet in Vdrsdmbrichtung der Front, der eine große Aushöhlung aufweist, die besonders günstig für das Gleichgewicht und die Aufrechter— haltung des Scbaielzbadas ist. Bin derartiges Profil führt nämlich zeitlich eine Verschiebung zwischen der Erstarrung der ütarzel der Schwexßraupe, die zunächst erfolgt, und derjenigen des oberen passiveren Teiles der Schnelzzone ein, die mit einer scäeaachsn. Verzögerung erfolgt. Vermutlich beruht das Erscfeex— dieses besonderen Profiles auf der dynataisciieit Wirkung* dxe

ts PlasEia erzeugen&e Gas auf das flüssige I4eta.ll ausübt:* Diese

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_ "7 —.

i Ji rkung würde ziemlich erheblich sein, wenn die Technik nach der Erfindung angewendet wird, und sie würde dazu beitragen, daß der schwerere Teil des Schmelzbaäes in einer besonders wirksamen Weise nach rückwärts gestoßen wird. Dies kommt auf die vorteilhafte Ausnutzung einer Schweißung in zwei Durchgangen hinaus, obwohl tatsächlich nur ein Durchgang des Plasinabrenners vor sich geht.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Plasmaschweißbrenner mit einer koaxial zu einer Speisedüse für Plasma erzeugendes Gas angeordneten Elektrode, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Düse einen kegelstumpfförmigen zunächst konvergierenden und dann divergierenden Teil aufweist, und daß die Elektrode am konisch geformten Ende stromabwärts über den Hals der Düse vorspringt, wobei der konvergierende Teil der Düse eine um einen Winkel von 10 bis 80°, vorzugsweise von 20 bis 60 größere Konvergenz hat als die Konvergenz des Elektrodenendes, überra* schenderweise wurde nämlich festgestellt, daß die Leistung des Schweißbrenners nur gewährleistet war, wenn die Flächen der Elektrode und der Düse auf der Höhe der konvergierenden kegelstumpf förraigen Teile keine Parallelität aufweisen und man der Düse eine ausgeprägtere Konvergenz erteilt als dem Elektrodenende. Das Fehlen dieses wesentlichen Merkmales hat einen derart" schädlichen Einfluß auf die Qualität der Schweißung, daß diese sich als industriell unbrauchbar erweist. Wenn man jedoch dieses wesentliche Merkmal beachtet, können die Konvergenzwinkel von Düse und Elektrodenende in weiten Grenzen schwanken. So kann der Winkel des konvergenten Düsenteiles zwischen 60 und 12O° lie-

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gen, während der Winkel des kegelförmigen Elektrodenendes zwischen 30 und 60° liegt. Wesentlich ist auch zu betonen, daß das Vorhandensein eines divergierenden Düsenteiles, der keinerlei Einwirkung auf die Zusammenschnürung des Plasmabogens hat, im wesentlichen in der absoluten Notwendigkeit begründet ist, auf dem Niveau des Endquerschnittes des konvergierenden Teils das ^v Vorhandensein lokaler Zonen geringerer Dicke, wie Kanten, zu vermeiden. Aus diesem Grunde soll der Anschlußwinkel der Düse zwischen den konvergierenden und divergierenden Teilen zwischen und 130 liegen. Wie schon erwähnt wurde, ist der Plasmabogen pneumatisch eingeschnürt, und es ist zweckmäßig, jeden merklichen Einfluß des divergierenden Düsenteiles auf die Form des Plasmabogens auszuschalten. Zu diesem Zweck ist es natürlich vorteilhaft, diesen divergenten Düsenteil in seiner Form der natürlichen Form des Plasmas anzupassen, die durch zahlreiche Faktoren, insbesondere die Strömungsmenge des Plasma erzeugenden Gases, bestimmt wird, aber in der Praxis liegt der Winkel des divergierenden Düsenteiles zwischen 40 und 120° bei Strömungsmengen zwischen 30 und 8 l/Min. Bei Anwendung auf die Schweißung dicker Bleche von mehr als 7 mn liegt der Strom zwischen 300 und 700 Amp., während er für kleinere Dicken unterhalb 7 mm auf 70 Amp. abfallen "kann*,' während die Stromspannung zwischen 15 und 30 Volt liegt.

Die tlerkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.

Fig. 1 ist ein axialer Teilschnitt durch einen Schweißbrenner in Betrieb bei der Stumpfschweißung von zwei Stücken,

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■wobei dia Schnittachse sankrecht zur Schweißrichtung der Kantsn verläuft.

Fig. 2 zeigt das Schweißbad nach Fig. 1 im Schnitt in Schweißrichtung der Kanten der beiden Stücke.

Ger?.äß Fig. 1 wird ein Schweißbrenner für die Stumpf schweißung von zv/ei Stahlstücken 1 und 2, z.B. aus nicht oxidierendem Stahl einer Dicke in der Größenordnung von 12 mm benutzt. Nachdem die beiden Stücke 1 und 2 gemäß der Linie x-x' stumpf aneinandergesetzt sind, werden sie nach dar Technik des sich ausbreitenden Strahles einem Plasmastrahl 3 ausgesetzt. Dieser Plasmastrahl 3 wird von einem Brenner 4 mit einer Aushöhlung 7, abgegeben, in der eine Elektrode 15 untergebracht ist. Die Aushöhlung 7 besitzt einen zylindrischen Düsenteil 8, an den sich ein konvergierender, kegelstumpfförmiger Teil 9 anschließt, der in einem Hals 10 endet, woran sich ein stark divergierender. Kegelstumpfteil 42 anschließt. Zwei seitliche Kanäle 11 und 12 sind parallel zu beiden Seiten der Achse χ x^f angeordnet; sie gehen von der Wand des konvergierenden Teiles 9 aus und enden auf der Höhe einer ebenen Stirnwand 13. An ihrem Umfang besitzt die Düse 6 eine Büchse 53, die eine Ringleitung 54 für den Durchgang eines Schutzgases umschließt. Dia Düse 6 von relativ großer Metallmasse wird durch ein in Kanälen umlaufendes Kältemittel energisch gekühlt. In der Zeichnung ist ein Umlaufkanal 55 dargestellt.

Die Elektrode 15 besitzt einen zylindrischen Körper 16 und ein kegelförmiges Ende 17. Sie ist an einen negativen Pol 50 einer elektrischen Energiequelle 51 von Gleichstromspannung in der

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Größenordnung von 20 bis 28 Volt angeschlossen, die in der Lage .ist, einen Strom in der Größenordnung, von 5O bis 700 Amp. zu liefern. Der andere Pol 52 auf dem Potential der Masse der Stromquelle 51 ist an die Schweißstücke 1 und 2 angeschlossen, so daß sich ein Bogen 3 von übertragenem Plasma ergibt. Die Spitze 20 der Elektrode 15 muß über den Hals IO zwischen dem konvergierenden Teil 9 und dem divergierenden Teil 42 der Düse vorstehen.· Bei der gewählten.Ausführungsform hat der zylindrische Teil 8 einen Durchmesser von 12 mm, und die Konizität des Kegelstumpfteiles 9 der Düse beträgt 60°, während der zylindrische Teil 16 der Elektrode 15 einen Durchmesser von 10 mm hat und die Konizität des zugespitzten Teiles 17 4O° beträgt. Der öffnungsxfinkel des divergierenden Teiles 42 der Düse ist 60° und der Übergangswinkel der Düse zwischen dem konvergierenden Teil 9 und dem divergierenden Teil 42 beträgt 120°. Der Hals hat einen' Durchmesser von 3 mm, und der Ringdurchlaß 21 zwischen der Elektrode 15 und der Düse 6 auf Höhe des Halses 10 hat eine radiale Abmessung von 1,5 bis 3 mm. Dieser Ringdurchlaß 21 verbindet.eine aufstromseitige Ringleitung 22 zwischen den Sylinderteilen 8 und 15 und dann bei 22' zwischen den Kegelteilen 9 und 17 der Düse 6 bzw. der Elektrode 15 einerseits und eine Leitung 40 von starker Divergenz andererseits, die von dem divergierenden Teil 42 der Düse 6 gebildet ist. In der Leitung 40 wird aufStromseitig durch den Teil der Elektrode 15, der in den divergierenden Teil 42 hineinragt, eine schwache Einschnürung gebildet.

Der abstromseitige Teil 22' der Leitung 22 besitzt einen Durchlaßquerschnitt, der einnal durch die Konvergenz der Kegelteile

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9 und 17 und zum anderen durch die ausgeprägtere" Konvergenz des Teiles 9 (Konvergenzwinkel 60 ) gegenüber derjenigen des Teiles 17 (Konvergenzwinkel 40°) progressiv kleiner wird.

Im Betrieb wird ein Plasma erzeugender Gasfluß im allgemeinen auf Grundlage von Argon oder einer ilischung aus Argon und Wasserstoff bzw. Helium oder anderem Gas in einer Menge von 9 bis 15 1/llin eingeblasen. Der Abstand zwischen der Elektrodenspitze 20 und der Oberseite der Schweißstücke 1 und 2 ist in der Größenordnung von 10 mm gewählt. Dieser Gasfluß hat in seinem Teil aufstromseitig vom Hals 10, d.h. aufstromseitig von dessen Mindestquerschnitt eine äußere und eine innere Kontur, die durch die Innenwand 8-9 der Düse und die Wandung 16-17 der Elektrode 15 genau geregelt sind. Unterhalb des Halses 10 ist dagegen die Kontur des Plasma erzeugenden Gasflusses, der rasch in Plasma überführt wird, wie schematisch bei 56 dargestellt ist, zwar an sich divergierend, aber stärker eingeschnürt als die Wand gegenüber dem divergierenden Düsenteil 42. In dieser Zone ist die Kontur 56 des Plasmas 3 auf rein pneumatischem Wege frei durch den Plasmagasfluß bestimmt, und zwar durch die Strahlen, die aus den Leitungen 11 und 12 austreten.

Der das Plasma erzeugende Bogen entsteht zwanglaufig jenseits des konvergierenden Teiles 9 der Düse 4. Die Entstehungszone dieses Plasmabogens 3 liegt nämlich in schwachem Abstand aufstromseitig von der Spitze 20 der Elektrode 15,und der Plasmaübertragungsbogen endet naturgemäß an den Stücken 1 und 2. In allen Fällen reicht der Vorsprungsgrad der Elektrode 15 über den Hals 10 aus, damit sich die Entstehungszone des Plasmabo-

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gens jenseits des Halses 10 in dein divergierenden Düsenteil oder höchstens in der Ebene des Halses 10 befindet. Der sich bildende Plasmabogen 3 besitzt eine Gestalt, die durch zahlreiche Faktoren, wie erwähnt, abgesehen von dem divergierenden Teil 42 bestimmt wird, aber gerade die Anfangsform und die Strömungsmenge des Plasma erzeugenden Gasstrahles am Austritt durch den Kragen 10 der konvergierenden Düse gewährleisten diese Gestalt des Plasmagasstrahles. Insbesondere ist die Starrheit . des Plasmas umso größer, je mehr man das Vorsprungsraaß der Elektrode über den Düsenhals 10 vermindert und/oder je mehr man die Strömungsmenge des Plasmagases erhöht; dadurch ist es möglich, die Starrheit dieses Bogens einzustellen, um der doppelten Bedingung zu entsprechen, daß eine Eindringungskraft bei gleichzeitig guter Haltung des Schmelzbades ohne jegliche Ausstoßung von geschmolzenem Metall gewährleistet ist. In jedem Fall ist dafür zu sorgen, daß der divergierende Düsenteil 42 immer genügend weite Öffnung hat (auch im vorliegenden Fall beträgt der Winkel 60 ), um jeden Einfluß der Einschnürung oder mechanischen Einengung auf den Plasmabogen auszuschalten. Dieser divergierende Düsenteil 42 dient im wesentlichen dazu, eine thermische Masse zu bilden, die in der Lage ist, den erheblichen Strahlungswärmefluß sowohl von dem Plasmabogen als auch von dem Schmelzbad zu den Kühlmittelkanälen·45 abzuführen. Wenn diese Masse nicht vorhanden ist, beispielsweise durch Fortlassung des abstromseitig von der Kragenebene 10 liegenden Düsenteiles, so würde man einen Plasmabogen derselben Gestalt erhalten, aber die Düse würde rasch auf der Höhe ihrer Ausnehmung

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sarstört, die dann bsi IO durch einen Eandwinkel von 6O° gebildet würde.

Die Erfahrimg zeigt, daS diese Vorrichtung genügt, um eine pneumatische Strahieinschnürung sicherzustellen, die besonders für die Schweißung sehr dicker Bleche geeignet ist. Die durch die pneumatische Einschnürung erhaltene Plasmaübertragung ergibt eine schwache Strahlerweiterung gegenüber einem Plasma mit mechanischer Einschnürung, jedoch unter Bewahrung einer geeigneten ausreichenden Eindringungskraft für die Erzielung des vorstehend erläuterten Scanteizbades mit einem oberen kelchförmig erweiterten Teil. Diesss bemerkenswerte Ergebnis ist außerdem von eineiß zusätzlichen beachtlichen Vorteil begleitet, weil infolge der Bildung des Plasmas im wesentlichen außerhalb der Düse die Hauptzerstörungsursache, die insbesondere in dem Auftreten von Parasitenbogen des Plagmas besteht, ausgeschaltet ist.

Es ist exsichtlich, daß bei der beschriebenen Anordnung der Konvergenzwinkel das Kagelteiles 9 60° beträgt, während der Spitzenwißkel der Elektrode 15 40° beträgt. Die beiden Winkel können in weiten Grenzen in der Größenordnung von 60 bis 120 für den Düsenteil 9 und in der Größenordnung von 30 bis €0° für dia. ülektrode schwanken. Wenn der Elektrodenwinkel kleiner als 30° ist, riskiert man jedoch, daß die Elektrode zerbröckelt. Es ist wichtig, eine gewisse Abweichung in der Konizität der konvergierenden Teile der Düse 9 und des Kegelstumpfteiles 17 der Elektrode 15 zu beachten. Ohne daß sich bisher hierfür eine geiid.ua Erklärung geben läßt, ist es nänlich aus Gründen der dvna-

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iaischen Strömung des' Plasmagases sehr wahrscheinlich, daß Schweißbrennervorrichtungen, bei denen der Winkel der Elektrodenspitze gleich dam Konvergenzwinkel der Düse oder größer als dieser ist, bei gewissen geometrischen Konstruktionen die Möglichkeit besteht, daß sie sich als wenig leistungsfähig,"d.h. imbräiichbar für die Stumpf schweißung von dicken Blechen einer Dicke von etwa 7 bis 14 mm erweisen. Die radiale Ausdehnung auf Hohe "des Düsenhalses selbst ist im wesentlichen einmal durch den Konvergenzgrad der Elektrodenspitze und deren Vorsprungsgrad über die Ebene des Halses IO bestimmt, und es ist ersichtlich/ daß je größer der eine und/oder andere dieser beiden Faktoren ist, desto größer der öffnungsdurchmesser sein muß» Wenn beispielsweise bei einer Elektrode von einem Konvergenz— grad oder Spitzenwinkel von 40° der öffnungsdurchmesser 3 nun beträgt, soll die Elektrode um 1,5 ram über den Ha_-Is 10 vorstehen.

vfenn der Durchmesser des Halses 3,8 mm bei einer Elektrode einer Konizität gleich 40° beträgt, soll ebenso die Elektrode über die Ebene des Düsenhalses um 1,6 bis 1,9 mm vorteilhaft um etwa 1,7 ESu vorstehen. Dies zeigt deutlich, daß diese Bemessung besonders wichtig ist. Ganz allgemein zeigt die Erfahrung, daß der Durchmesser des Halses vorteilhaft zwischen 2,5 und 4 mm liegt, während die Elektrode um einen Betrag zwischen 0,5 und 2 vss. Ober die Kaisebene vorsteht.

Es ist auch festzustellen, daß die elektrischen Bedingungen und die der Speisung mit Gas gegenüber der bekannten Plasmaschwei-3ung mit "zurückgezogener" Elektrode sehr verschieden sind. Bei

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Anwendung des Schweißverfahrens nach der Erfindung auf dicke Bleche von 7 bis 14 mm liegt die Stromstärke in der Größenordnung, von 300 bis 700 Amp. bei einer Spannung von 20 bis 28 Volt, beispielsweise 450 Amp. bei 22 Volt im beschriebenen Beispiel, während bei der bekannten Schweißung die Stromstärke nur 50 bis 52 Amp. bei einer Spannung von 28 bis 35 Volt bei einer Schweißung in einem Durchgang von Blechen einer geringeren Dicke als 7 rom war. Es ist also festzustellen, daß die auf rein pneumatischem Wege eingeengte Plasraaschweißung nach der Erfindung die Anwendung von beträchtlich größeren Intensitäten in der Größenordnung des Doppelten und sogar Dreifachen gegenüber denjenigen gestattet, die bei dem bekannten Plasmaschwelßverfahren mit einzigem Durchgang vorherrschen, obgleich die Spannung kleiner ist. Solche Bedingungen für die elektrische Stromzuführung sind jedenfalls in diesen letzteren Fällen ausgeschlossen.

Was die Pla3magasmenge betrifft, so zeigt sich, daß diese beträchtlich, und zwar in der Größenordnung einer Verdoppelung, gegenüber der bekannten Plasmaschweißung erhöht ist. Dies beruht auf der zusätzlichen Wirkung dieses Gases hinsichtlich der pneumatischen Einengung. Beim Plasmabrenner bekannter Art, d.h. mit zurückgezogener Elektrode, der mit einer solchen Strömungsmenge gespeist ist, würde die Durchführung der Schweißung infolge einer übermäßigen Starrheit des Bogens nicht zulassen, sondern höchstens eine Schneidschweißung. Diese Strömungsmenge liegt zwischen 8 und 30 l/Min.

Alle diese Parameter sollen so gewählt werden, daß man eine Schmalzzonengestaltung erhält," die der in Fig. 1 dargestellten

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nahekommt. Die geeignetste Form ist die eines Kelchglases, deren oberer Teil ausgebaucht ist und einen stielartigen Teil überlagert, der bei seiner raschen Erstarrung eine wirksame Stütze des noch flüssigen oberen Teiles der Schweißraupe gestattet. Die Beständigkeit des Schmelzbades läßt sich noch erhöhen, wenn die Höhe h des oberen ausgebauchten Teiles im Verhältnis zur Höhe H bzw. Blechdicke gering ist. Wie in Fig. 2 angedeutet, besitzt die Flüssigkeitsfront S in einer Ebene parallel zur Vorschubrichtung des Brenners (Pfeil f) eine Höhlung C, die für das Verfahren charakteristisch ist. Bei der bekannten Schweißung ist die Front des flüssigen Metalles S¹ annähernd symmetrisch zur Schmelzfront F, die selbst unverändert bleibt. Diese Form der Flüssigkeitsfront ist besonders geeignet für die Aufrechterhaltung des Schmelzbades.

Als Ausführungsbeispiele werden nachstehend fünf Arbeitsweisen näher angegeben:

A) Schweißen nicht oxidierbarer Stähle

Düsenwinkel 60

Durchmesser des Düsenhalses 8 mm

Elektrodendurchmesser 10 mm

Elektrodenwinkel 40°

Elektrodenvorsprung 9 mm

Ringgas . 25 1/Miri.

1. Blechdicke · 1,5 mm

Intensität 170 Amp.

Plasmagasmenge (Argon) S l/Min.

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2. Blechdicka " 12 iron

Stromstärke 420 Amp.

Plasmagasmenge (Argon) 15 1/Ilin.

B) Schwaißung von Blechen aus nicht oxidierendem Stahl vom 14 mm

Düsenwinkel 60°

Durchmesser des Düsenhalses 3 mm

Elektrodenwinkel 40°

Elektrodenvorsprung 1,5 mm

Plasmagasmenge 15 l/Min. Ringgas (Argon + 10 % H₂) 25 l/Min. Intensität · .350 Amp. Spannung " 30 Volt C) Schweißung von T 40-Titan einer Dicke von 10 mm

Schweißstrom . 275 Amp.

Schweißspannung 24 Volt

Schweißgeschwindigkait 21 cm/Min.

Plasmagas (Argon) .14 l/Min.

Ringgas (Argon)· 25 l/Min.

Elektrodenaustritt 1/5 mm

D) Schweißung weicher Stähle einer Dicke von 6 mm

Schweißstrom 200 Amp.

Schweißspannung 22 Volt

Schweißgeschwindigkeit 14,5 cm/Min.

Plasmagas (Argon) 11 l/Min.

Ringgas (Argon) 25 l/Hin.

Elektrodanaustritt . 1,5 mm

Düsendurchmesser 3 mm

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E) Schweißung von Kupfer einer Dicke von 4 mm

Schweißstrom . . 200 Amp.

Schv/eißspannung 22 Volt

Schweißgeschwindigkeit . 12 cm/Min.

Plasmagas (Argon) 12 l/Min.

Ringgas (30 % Argon + 70 % Helium) 25 l/Min.

Wie oben näher erläutert wurde, sind das Schweißverfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung insbesondere zur Schweißung dicker Bleche verwendbar. Natürlich sind dieselben Verfahren und Vorrichtungen auch anwendbar bei der Schweißung von Blechen geringerer Dicke und ganz allgemein für alle Schweißarten im üblichen Bereich der Plasmabogenschweißung.

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Claims

P atentansOrüche

l.JElektroplasmaschweißverfahren mit zwischen einer Elektrode und zu schweißenden Stücken unter der elektrischen Spannung des übergehenden Lichtbogens ' in Anwandung auf die Stumpfschweißung von Blechen mit einer Schweißdicke zwischen 7 und 14 mm in einem Durchgang, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Fluß Plasma bildenden Gases erzeugt, von dem ein stromaufwärts liegender Teil Ringform um die Elektrode und einen Querschnitt hat, der durch mechanische Einwirkung unter Konvergenz seiner inneren und äußeren Konturen, und ein stromabwärts liegender Teil jenseits dieses Mindastquerschnittes infolge pneumatischer Divergenz gegebenenfalls in seiner äußeren Kontur geregelt zunehmenden Querschnitt hat und daß man die Lage der Elektrode derart einregelt, daß der Bogen jenseits des konvergierenden stromaufwärts liegenden Flußteiles ansetzt.
2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bogen O,5 bis 2 mm jenseits des Mindestquerschnittes ansetzt, dessen kleinste Fläche zwischen 4,8 und 11,5 mm bei einem Innendurchmesser von 2,5 bis 4 mm liegt.
3. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Umriß des Gasflusses eine geringere Konvergenz als die Konvergenz eines Außenumrisses hat und die Konvergenzdifferenz zwischen 10 und 80°, vorzugsweise 20 bis 60° beträgt.
4. Schwaißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvergenz des Außenurcirisses des aufstromseitigan Teils

ι das Plasma erzeugenden Gasflusses zwischen 60 und 120° liegt.

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5. Schwemmverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dis Konvergenz des inneren Umrisses des aufstromseitiges Teils des Plasma erzeugenden Gasflusses zwischen 30 und 60° liegt.
6. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet/ daß die Plasma erzeugende Gasströmungsmenge zwischen 8 und 30 l/Min, liegt.
7. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke zur Bildung des Plasmas zwischen 50 und 700 Amp., vorzugsweise zwischen 300 und 700 Amp., liegt, während die Spannung zwischen 15 "und 30 Volt, vorzugsweise zwischen 20 und 28 Volt, liegt.
8. Plasmaschweißbrenner mit einer koaxial in einer Plasmagaszufuhrdüse angeordneten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse einen konvergenten und dann divergenten kegelstumpfförniigen Teil besitzt und die Elektrode mit ihrem kegelförmigen Ende über den Düsenhals in Strömungsrichtung vorspringt, wobei der konvergente Düsenteil einen um 10 bis 80 , vorzugsweise 20 bis 60° größeren Konvergenzwinkel als das kegelige Elektrodenende hat.
9. Schweißbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel des konvergenten Düsenteiles zwischen 60 und 12O liegt.
10. Schweißbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel des konischen Elektrodenendes zwischen 30 und 60° liegt.
11. Schweißbrenner nach Anspruch 3, 9 oder 10,dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangswinkel der Düse zwischen dem konvergenten und dem divergenten Teil zwischen 60 und 130 liegt.

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12. Schweißbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel das divergenten Düsenteiles zwischen 40 und 12O° liegt.
13. Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, .daß der zwischen Düse und Elektrode eingeschlossene überleitungsteil für einen Durchgang einer Plasmagasmenge zwischen 8 und 30 l/Min, bemessen ist.
14. Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektrode ein Strom einer Stärke von 50 bis 700 Amp. bei einer Spannung zwischen 15 und 30 Volt angelegt ist.

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