DE2333433C2

DE2333433C2 - Elektroplasmaschweißverfahren und Schweißbrenner zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2333433C2
Application number: DE2333433A
Authority: DE
Inventors: Francis Nantes-la-Jolie Cuny; Paul Hazebrouck Demars; Joseph Laxou Garrigoux; Christian Brunoy Tassart
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-30
Publication date: 1984-02-23
Also published as: CA993053A; ES416505A1; AU5746673A; JPS5638307B2; FR2190561B1; NL175779C; IT992592B; AU470460B2; NL175779B; BE801790A; ZA734293B; DE2333433A1; JPS4956858A; NL7309240A; FR2190561A1; US3928745A; GB1435998A

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektroplasmaschweißver^rahren mit einem zwischen einer Elektrode und zu schweißenden Stücken übergehenden Lichtbogen unter der elektrischen Spannung des übergehenden Lichtbogens und mit einem Fluß Plasma bildenden Gases, von dem ein stromaufwärts Hegender Te.it Ringfann um die Elektrode herum und einen Querschnitt hat, der durch mechanische Einwirkung unter Konvergenz seiner Inneren und äußeren Konturen bis zu einem Mindestquerschnitt abnimmt, und von dem ein stromabwärts Hegender Tel! jenseits dieses Mindestquerschnittes infolge pneumatischer Divergenz gegebenenfalls in seiner äußeren Kontur geregelt zunehmenden Querschnitt hat.

Bekanntlich erhält man Schweißbcgenplasma dadurch, daß man in einem Gas.Tiilieu einen elektrischen Bogen sich entladen läßt, der einer Energieeinschnürung ausgesetzt Ist. Auf diese Weise verfügt man über 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 Schlüssellochstrahl, d. h. einem Strahl, der das zu schweißende Stück völlig durchsetzt, und einer gio^en Toleranz gegenüber erheblichen Schwankungen der Bogenlänge bietet. Dieses Schweißverfahren erweist sich jedoch als in Wirklichkeit nur für die Schweißung von Blechen relatl" geringer Dicke brauchbar. Beispielswelse kann man nach diesem Verfahren nur Bleche aus nicht oxidierendem Stahl einer maximalen Dicke In der Größenordnung von t mm stumpf ohne Schweißbad in einem Durchgang und ohne Gegensiüize schweißen. Jenseits dieser Dicke wird das Verfahren industriell unbrauchbar im Laboratorium und mit J/äsonders 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.

Bei allen gegenwärtig benutzten SchwelGkOpfen ist die Elektrode im Inneren der Düse genügend b'-elt, und sie endet In einem zylindrischen Kanal jenseits des Halses eines konvergierenden Düseniells. Dieser Kanal umschließt das Plasma und schnürt es ein, und diese

führt bei Anw.... iung einer guten Kühlung des Düsenendtells 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, lsi es bekanntlich zweckmäßig, daß die Schmelzzone In einer Schnittebene senkrecht zur Vorschubbewegung des Stückes gegenüber dem Plasmastrahl eine Form hat, bei der sin stark ausgebauchter oberer Teil einen ziemlich eingeschnürten unteren TeIi überfa-

gen, der die rasche Erstarrung der Wurzel begünstigt und infolgedessen einen wirksamen Halt für den noch flüssigen oberen Teil der Schweißraupe darstellt. Die Stabilität des Schmelzbades erweist sich dann erhöht, wenn die Höhe des ausgebauchten oberen Teils klein im Verhältnts 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 Plasm? 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 Sicherstellnng einer -s-ssenden Schweißung anpassen läßt. Gleichwohl ^!st ?- niemals möglich gewesen, industriell Bleche aus nicht oxidierendem Stahl einer größeren Dicke als T mm zu schweißen: denn wenn man die Kanallänge ver_L "*ert, um so einen starreren und schmaleren Plasras^anl zu erzeugen, war -zwar die EIndringungskraft ve», •ä'-kt, aber die Schmelzzone haue eine mangelhafte Gestaltung, die den Zusammenfall des Bades begünstigte. Der Arbeitsvorgang ähnelte dann mehr einem einfachen therrr'sehen Schneidvorgang und nicht einem Schweißvorgang. Eine Verminderung der Kanallänge führte dagegen zu einer Verbreiterung des Plasmastrahles unter Bildung eines Bades mit starker oberer Ausdehnung, jedoch zum Schaden des Clndri.igungseffektes.

Um diese Schwierigkeit der Schweißung von sehr dlkken Blechen zu beheben, wurde zunächst daran gedacht, diß man die Einschnürung des übertragenen Plasmas zwischen zwei Elektroden nicht mehr auf mechanischem V/ege, 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 einfüh·.. Diese Art der Erzeugung einer Plasmasäule frei von jedem Einschluß setzte aber im wesentlichen voraus, daß sich In dieses Plasma ein Trägerstrom für feste Teilchen einführen ließ, der zwischen der Elektrode und der Dose eingestellt wurde, um auf dieses SirfiiMiingäiiiüte! und die ,c Teilchen eine hohe thermische Energie zu übeitragen. Bei diesem Vorschlag handelt es sich urr. einen Bogen nicht vom »übertragenen« Typ, sondern vom »angeblasenen« Typ jenseits einer Gegenelektrode, die einzig die Aufgabe hat, die Zündung und Aufrechterhaltung des Bogens zu gestatten. Der Versuch, einen solchen ancsblasenen Bogen für die Stumpfschwelßung von dicken Blechen zu benutzen, hätte zu elnerr, gewissen Fehlschlag geführt. Das Verdienst der Erfindung besteht darin, festgestellt zu haben, daß man zu einem Erfolg gelangt, indem man einen sol-

set/t. Indem man Ihm die Merkmale eines übertragenen Bogens für die Schweißung von dickeren Blechen als 7 mm in einem Durchgang erteilt.

Aus der DE-AS 10 98 636 Ist ein Schweißverfahren der eingangs genannten Art bekannt geworden. Der Nachteil dieses Schweißverfahrens besteht darin, daß Bleche mit einer Dicke von mehr als 7 mm In einem Durchgang nicht mit dem gewünschten Erfolg stumpfgeschweißt werden können, well die Form des Lichtbogens oder Plasmabogens nicht In der angestrebten Weise einstellbar Ist-

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Elektroplasmaschwelßverfahren der eingangs bezeichneten Art so zu verbessern, daß die Stumpfschweißverbindung dicker Bleche verbesssrt werden kann. Insbesondere durch eiiw günstigere Ausbildung des Schmelzbades mit besserem Profil und vorteilhafterer Wirkung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man zur Anwendung auf das Stumpfschweißen von Blechen mit einer Schweißdicke zwischen 7 und 14 mm in einem Durchgang die Lage der Elektrode derart einregelt, daß der Bogen jenseits des konvergierenden, stromaufwärts liegenden Flußteiles ansetzt. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Bogen 0,5 bis 2 mm jenseits des Mindestquerschnittes ansetzt, dessen kleinste Fläche zwischen 4,8 mm² und 11,5 mm² bei einem Innendurchmesser von 2,5 bis 4 mm liegt.

Erfindungsgemäß verzichtet man also bei der neuen Schweißtechnik für dicke Bleche auf jede mechanische Formgebung des Plasmas, und man ordnet die Elektroden nicht mehr Im inneren des konvergierenden Teiles eines konvergierenden, plasmaerzeup.enden Gasflusses an, an welchem sich ein zylindrischer Fiußteil mechanisch eingeschnürt, jedoch andererseits In einem frei divergierenden Teil des plasmaerzeugenden Gasflusses jenseits eines mechanisch festgelegten konvergies ?nden Teiles derart anschließt, daß der Ansatz des Elektrodenbogens, d. h. seine Entstehungszone, sich In jedem Fall auf der Hiiiie des Mindestquerschnittes zwischen den konvergierenden und divergierenden Teilen oder jenseits dieser befindet. Auch unterläßt man andererseits jede mechanische Beanspruchung der Bogeneinschnürung. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen 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 Profil der Schweißraupe die bekannte und wünschenswerte Form mit oberer Ausbauchung, wie oben erläutert, wieder annimmt und noch verbessert wird, das Längsprofil der flüssigen Metallfront dagegen stark verschieden von demjenigen der bekannten Technik ist. Nach letzterer stell* sich die flüssige Metallfront im Schnitt als V-förmige Verzweigung dar, deren Raum zwischen den Schenkeln die Eindrlngungszone des Plasma darstellt. Bei der Technik nach der Erfindung besitzt die flüssige Metallfroni einsri rückwärtigen Teil betrachtet if; Vorschubrichtung der Front, der eine große Aushöhlung aufweist die besonders günstig für das Gleichgewicht und die Aufrechterhaltung des Schmelzbades ist. Ein derartiges Profil führt nämlich zeitlich eine Verschiebung zwischen der Erstarrung der Wurzel der Schweißraupe, die zunächst erfolgt, und derjenigen des oberen passiveren Teiles der Schmelzzone ein, die mit einer schwachen Verzögerung erfolgt. Vermutlich beruht das Erscheinen dieses besonderen Profiles auf der dynamischen Wirkung, die das Plasma erzeugende Gas auf das flüssige Metall ausübt. £)i_sss WiJ-U₁-Jy, ...»;= ziemlich erheblich ""*·::: ^Λ\° "¹^hnlk nach der Erfindung angewendet würde, und sie würde dazu beitragen, daß dei schwerere Teil des Schmelzbades In elrjr besonders wirksamen Weise nach rückwärts gestoßen wird. Dies kommt auf die vorteilhafte. Ausnutzung einer Schweißung in zwei Durchgängen hinaus, obwohl tatsächlich nur ein Durchgang des 'Plasmabrenners vor sich geht.

Bei zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung hat der Innere Umriß dei Gäsflusses eine geringere Konvergenz als die Konvergenz eines Außenumrisses, und die Konvergenzdifferenz beträgt vorzugsweise zwischen 20

und 60°. Die piasmaerzeugende Gasslrömungsmenge liegt vorzugsweise erfindungsgemäß zwischen 8 und 30 l/Min. Die Stromstärke liegt dabei gemäß einem weiteren Vorschlag gemäß der Erfindung zur Bildung des Plasmas zwischen 50 und 700 A, vorzugsweise zwischen 300 und 700 A, während die Spannung zwischen 15 und 30 Volt liegt, vorzugsweise zwischen 20 und 28 Volt.

Aus der vorgenannten DE-AS 10 98 636 Ist auch ein Plasmaschweißbrenner zur Durchführung des Verfahrens bekannt, auf welchen sich ebenfalls die Erfindung to bezieht. Dieser bekannte Brenner Ist mit einer koaxial mit einer Plasmagaszuführdüse angeordneten Elektrode versehen, wobei die Düse einen konvergenten und dann einen divergenten kegelstumpfförmlgen Teil und die Elektrode ein kegelstumpfförmlges Ende besitzt, wobei der konvergente Düsenteil einen größeren Konvergenzwinkel als das kegelige Elektrodenende hat Der erfindungsgemäße Plasmaschweißbrenner lsi dadurch gekennzeichnet, daß das kegelförmige Ende der Elektrode Ober den Düsenhals in Strömcngsrlchtung vorspringt und daß der Konvergenzwinkel des Düsentelis um 10° bis 80°, vorzugsweise 20° bis 60°. größer Ist Überraschenderweise wurde nämlich festgestellt, daß die Leistung des Schweißbrenners nur gewährleistet war. wenn die Flächen der Elektrode und der Düse auf der Höhe der konvergierenden kegelstumpfförmlgen 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 Schwel-Bung, 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 Düsenteils zwischen 60 und 120° liegen. während der Winkel des kegelförmigen Elektrodenendes zwischen 30 und 60° liegt. Wesentlich Ist auch zu betonen, daß das Vorhandensein eines divergierenden Düsenteils, der keinerlei Einwirkung auf die Zusammenschnürung des Plasmabogens hat. Im wesentlicher. In der absoluten Notwendigkeit begründet Ist, auf dem Niveau des Endquerschnittes des konvergierenden Teils das Vorhandensein lokaler Zonen geringerer Dicke, wie Kanten, zu vermeiden. Aus diesem Grunde soll der Anschlußwinkel der Düse zwischen den konvergierenden und divergierenden Teilen zwischen 60 und 130° Hegen. Wie schon erwähnt wurde, ist der Plasmabogen pneumatisch eingeschnürt, und es ist zweckmäßig, jeden merklichen Einfluß des divergierenden Düsentelis 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 Jfegt der Winkel des divergierenden Düsenteils zwisehen 40 und 120° bei Strömungsmengen zwischen 30 und 8 l/Min. Bei Anwendung auf die Schweißung dicker Bleche von mehr als 7 mm liegt der Strom zwischen 300 und 700 A, während er für kleinere Dicken unterhalb 7 mm auf 70 A abfällen kann, während die Stromspannung zwischen 15 ^ω und 30 Volt liegt

Die Merkmale 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 Stumpfschwelßung von zwei Stücken, wobei die Schnittachse senkrecht zur Schweißrichtung der Kanten verläuft.

FIg. 2 zeigt das Schweißbad nach Flg. 1 Im Schnitt In Schweißrichtung der Kanten der beiden Stücke.

Gemäß Flg. 1 wird ein Schweißbrenner für die Stumpfschwelßung von zwei Blechen oder Stahlslücken 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 anelnandergcsetzt sind, werden sie nach der Technik des sich ausbreitendem Strahles einem Plasmastrahl als Lichtbogen 3 ausgesetzt. Dieser Lichtbogen 3 wird von einem Brenner 4 mit einer Aushöhlung 7 abgegeben. In der eine Elektrode 15 untergebracht 1st Die Aushöhlung 7 besitzt einen zylindrischen Düsenteil 8. an den sich ein konvergierender, kegelstumpfförmlger 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 Selten der Achse x-x' angeordnet; sie gehen von der Wand des konvergierenden Teils 9 aus und enden auf der Höhe einer ebenen Stirnwand 13 An Ihrem I -nfang besitzt die Düse 6 eine Büchse 53. die eine Ringleitung 54 für den Durchgang eines Schutzgases umschließt. Die Düse 6 von relativ großer V Imasse wird durch ein ein Kanälen umlaufendes Kältemittel energisch gekühlt. In der Zeichnung 1st ein Umlaufkanal 55 dargestellt.

Die Elektrode 15 besitzt einen zylindrischen Körper 16 und eine kegelförmiges Ende 17. Sie 1st an einen negativen Pol 50 einer elektrischen Energiequelle 51 von GlelchstroMspannung in der Größenordnung von 20 bis 28 Volt angeschlossen, die in der Lage Ist. einen Strom In der Größenordnung von 50 bis 700 A zu liefern. Der andere Pol 52 auf dem Potential der Masse der Stromquelle 51 1st 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 10 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 Teils 17 40° beträgt. Der Öffnungswinkel 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 10 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 2ί verbindet eine aufstromseitige Ringleitung 22 zwischen den Zyllnderteilen 8 und 16 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 aufstromseltlg durch den Teil der Elektrode 15, der in den divergierenden Teil 42 hineinragt, eine schwache Einschnürung gebildet.

Der absiromseitlge Teil 22' der Leitung 22 besitzt einen Durchlaßquerschnitt, der einmal durch die Konvergenz der Kegeltelle 9 und 17 und zum anderen durch die ausgeprägtere Konvergenz des Teiles 9 (Konvergenzwinkel 60°) gegenüber derjenigen des Teiles 17 (Konvergenzwinke! 40°) progressiv kleiner wird.

Ins Betrieb wird ein Plasma erzeugender Gasfluß Im allgemeinen auf Grundlage von Argon oder einer Mischung aus Argon und Wasserstoff bzw. Helium oder anderem Gas In einer Menge von 9 bis 15 !/Min. efnge-

blasen. Der Abstand zwischen der Elektrodenspitze 20 und der Oberseite der Schwclßstücke I und 2 Ist In der Größenordnung von 10 mm gewählt. Dieser Gasfluß hai In seinem Teil aufstromseltlg vom Hals JO, d. h. aufslromselllg 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 Konti" des Plasma erzeugenden Gasflusses, der rasch In Plasma überführt wird, wie schemätlsch bei 56 därgestellt Ist, zwar art sich divergierend, aber starker eingeschnürt aW die Wand gegenüber dem divergldrenden Düsenteil 42 In dieser Zone ist die Kontur 56 de? Plasmas 3 auf rein pneumatischem Wege frei durch den Plasmagasfluß bestimmt, und zwar durch die Strahlen, die aus den Leitungen Il und 12 austreten

Der das Plasma erzeugende Bogen entsteht zwangsläufig jenseits des konvergierenden Teiles 9 des Brenners 4 Die Entstehungszone dieses Plasmabogens 3 liegt nämlich In schwachem Abstand aufslromseltig von der Spitze 20 der Elektrode 15, und der Plasmaübertragungsbogen endet naturgemäß an den Stacken I und 2. In allen Fällen reicht der Vorsprungsgrad der Elektrode 15 über den Hals 10 aus, damit sich die Entstehungszone des Plasma bogens jenseits des Halses 10 In dem divergierenden Düsenteil 42 oder höchstens in der Ebene des Halses 10 befindet. Der sich b'ldende Plasmabogen 3 besitzt eine Gestalt, die durch zahlreiche Faktoren, wie erwähnt, abgesehen von dem divergierenden Teil 42 bestimmt v/lrd, aber gerade die Anfangsform und die Slrömungsmenge des Plasma erzeugenden Gasstrahles am Austritt durch den Hals IQ der konvergierenden Düse gewährleisten diese Gestalt des Plasmagasslrahles. Insbesondere ist die Starrheit des Plasmas um so größer, je mehr man das Vorsprungsmaß 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 Eindrlngungskraft bei gleichzeitig guter Haltung des Schmelzbades ohne jegliche Ausstoßung von geschmolzenem Metall gewährleistet Ist. In jedem Fall 1st dafür zu sorgen, daß der divergierende Düsenteil 42 Immer genügend weite Öffnung hat (auch im vorliegenden Fall betragt der Winkel 60°), um jeden Einfluß der Einschnürung oder mechanlsehen 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 55 abzuführen. Wenn diese Masse nicht vorhanden Ist, beispielsweise durch Fortlassung des abstromseltlg von der Halsebene 10 !legenden Düsenteiles, so würde man einen Plasmabogen derselben Gestalt erhalten, aber die Düse würde rasch auf der Höhe Ihrer Ausnehmung zerstört, die dann bei lü durch einen Randwlnkel von 60° gebildet würde.

Die Erfahrung zeigt, daß diese Vorrichtung genügt, um eine pneumatische Strahleinschnürung sicherzustellen, die besonders für die Schweißung sehr dicker Bleche ^M geeignet ist. Die durch die pneumatische Einschnürung erhaltene Plasmaflbertragung ergibt eine schwache Strahlerweiterung gegenüber einem Plasma mit mechanischer Einschnürung, jedoch unter Bewahrung einer geeigneten ausreichenden Elndringungskraft für die⁶⁵ Erzielung des vorstehend erläuterten Schmelzbades mit einem oberen kelchförmlg erweiterten Teil. Dieses bemerkenswerte Ergebnis ist außerdem von einem zusätzlichen beachtlichen Vorteil begleitet, well Infolge der Bildung des Plasmas Im wesentlichen außerhalb der Düse die Hauptzerstörungsursache, die Insbesondere In dem Auftreten Von Parasltenbögen des Plasmas besteht, ausgeschaltet ist.

Es Ist ersichtlich, daß bei der beschriebenen Anordnung der Konvergenzwinkel des Kegelteiles 9 60° beträgt, während der Spitzenwinkel der Elektrode 15 40° beträgt. Die beiden Winkel können In weiten Grenzen in der Größenordnung von 60 bis 120° für den Düsentell 9 und In der Größenordnung Von 30 bis 60° für die Elektrode schwanken: Wenn der Elektrodenwtnkei kleiner als 30° Ist, riskiert man jedoch, daß die Elektrode zerbrökkelt. Es Ist wichtig, eine gewisse Abweichung In der Konizität der konvergierenden Teile der Düse 9 und des Kegclstumpftelles 17 der Elektrode 15 zu beachten. Ohne daß sich bisher hierfür eine genaue Erklärung geben läßt. Ist es nämlich aus Gründen der dynamischen Strömung des Plasmagases sehr wahrscheinlich, daß Schweißbrennervorrichtungen, bei denen der Winkel der Elektrodenspitze gleich dein Konvergenzwinkel der Düse oder größer als dieser Ist, bei gewissen geometrischen Konstruktionen die Möglichkeit besteht, daß sie steh als wenig leistungsfähig, d. h. unbrauchbar für die Stumpfschwelßung Von dicken Blechen einer Dicke von etwa 7 bis 14 mm erweisen. Die radiale Ausdehnung auf Höhe des Düsenhalses selbst Ist im wesentlichen einmal durch den Konvergenzgrad der Elektrodenspitze und deren Vorsprungsgrad über die Ebene des Halses 10 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 Konvergenzgrad oder Spitzenwinkel von 40° der Öffnungsdurchmesser 3 mm beträgt, soll die Elektrode um 1,5 mm über den Hals 10 vorstehen.

Wenn 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 mm 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 Hegt, während die Elektrode um einen Betrag zwischen 0,5 und 2 mm über die Halsebene vorsteht.

Es 1st auch festzustellen, daß die elektrischen Bedingungen und die der Speisung mit Gas gegenüber der bekannten Plasmaschwelßung mit »zurückgezogener« Elektrode sehr verschieden sind. Bei Anwendung des Schweißverfahrens nach der Erfindung auf dicke Bleche von 7 bis 14 mm Hegt 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 mm war. Es Ist also festzustellen, daß die auf rein pneumatischem Wege eingeengte Plasmaschwelßung nach der Erfindung die Anwendung von beträchtlich größeren Intensitäten in der Größenordnung des Doppelten und sogar Dreifachen gegenüber denjenigen gestattet, die bei dem bekannten Plasmaschweißverfahren mit einzigem Durchgang vorherrschen, obgleich die Spannung kleiner ist. Solche Bedingungen für die elektrische Stromzuführung sind jedenfalls In diesen letzteren Fällen ausgeschlossen.

Was die Plasmagasmenge betrifft, so zeigt sich, daß diese beträchtlich, und zwar in der Größenordnung einer

Verdoppelung, gegenüber der bekannten Plasrnaschwelßung 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 Strö- ι mungsmenge gespeist ist, würde die Durchführung der Schweißung Infolge einer übermäßigen Starrheit des Bogens nicht zulassen, sondern höchstens eine Schneldschwelßung. Diese Strömungsmenge liegt zwischen 8 lind 30 I/Mln. in

';/ Alle diese Parameter sollen so gewählt werden, daß mart eine Schmelzzonengestaltung erhält, die der in Fig. 1 dargestellten nahekommt. Die geeignetste Form Ist die eines Kelchglases, deren oberer Teil ausgebaucht Ist und einen stielartigen Teil überlagert, der bei seiner i> 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 Flg. 2 angedeutet, besitzt die Flüssigkeitsfront S In einer Ebene parallel zur Vorschubrichtung des Brenners (Pfeil/) eine Höhlung C, die für das Verfahren charakteristisch Ist. Bei der bekannten Schweißung ist die Front des flüssigen Metalles S' annähernd symmetrisch zur 2'> Schmelzfront F, die selbst unverändert bleibt. Diese Form der Flüssigkeitsfront Ist besonders geeignet für die Aufrechterhaltung des Schmelzbades.

Als Ausführungsbeispiel werden nachstehend fünf Arbeltsweisen näher angegeben:

A) Schweißen nicht oxidierbarer Stähle

B) Schweißung von Blechen aus nicht oxidierendem Stahl von 14 mm

Düsenwinkel

Durchmesser des Düsenhalses

Elektrodenwinkel

Elektrodenvorsprung

Plasmagasmenge

Rlnggas (Argon + 10% H₂)

Intensität

Spannung

60°

3 mm 40°

1,5 mm 15 I/Min. 25 I/Mln. 350 Amp. 30 Volt

C) Schweißung von T 40-Titan einer Dicke von 10 mm

Schweißstrom
Schweißspannung
Schweißgeschwindigkeit
Plasmagas (Argon)
Ringgas (Argon)
Elektrodenaustritt

275 Amp

24 Voll

21 cm/Min. 14 I/Mln.

25 I/Mln. 1.5 mm

D) Schweißung welcher Stähle einer Dicke von 6 mm

Schweißstrom

Schweißspannung

Schweißgeschwindigkeit

Plasmagas (Argon)

Rlnggas (Argon)

Elektrodenaustritt

Düsendurchmesser

200 Amp. 22 Volt 14,5 cm/Min. II l/Min. 25 l/Min.

1.5 mm

3 mm

so

E) Schweißung von Kupfer einer Dicke von 4 mm

Düsenwinkel

Durchmesser des Düsenhaises

Elektrodendurchmesser

Elektrodenwinkel

Elektrodenvorsprung

Rlnggas

1. Blecndlcke
Intensität
Plasmagasmenge (Argon)

2. Blechdicke
Stromstärke
Plasmagasmenge (Argon)

Schweißstrom 200 Amp.

60° SchwelUspannung 22 Volt

mm Schweißgeschwindigkeit 12 cm/Min. mm α Plasmagas (Argon) 12 I/Mln. 40° Rlnggas (30% Argon + 10% Helium) 25 l/Min.

9 mm

l/Min. Wie oben näher erläutert wurde, sind das Schweißver-

1,5 mm fahren und die Vorrichtung nach der Erfindung Insbe-

Amp. 4o sondere zur SchwelBung dicker Bleche verwendbar.

l/Min. Natürlich sind dieselben Verfahren und Vorrichtungen

mm auch anwendbar bei der Schweißung von Blechen gerin-

Amp. gerer Dicke und ganz allgemein für alle SchweiBarten im

l/Min. üblichen Bereich der Plasmabogenschwelßung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektroplasmaschwelßverfahren mit einem zwischen einer Elektrode (15) und zu schweißenden Stükken (1, 2) übergehenden Lichtbogen (3) unter der elektrischen Spannung des übergehenden Lichtbogens (3) und mit einem Fluß Plasma bildenden Gases, von dem ein stromaufwärts Hegender Teil Ringiorm um die Elektrode (15) herum und einen Querschnitt hat, der durch mechanische Einwirkung unter Konvergenz seiner Inneren (16. 17) und äußeren Konturen (8, 9) bis zu einem Mindestquerschnitt (bei 10) abnimmt, und von dem ein stromabwärts liegender Teil jenseits dieses MlndestqueEschnlttes (bei 10) Info'ge pneuma- is tischer Divergenz gegebenenfalls In seiner äußeren Kontur geregelt zunehmenden Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Anwendung auf das Stumpfschweißen von Blechen (1, 2) mit

,einer Schweißdicke zwischen 7 und 14 mm in einem Durchgang die Lage der Elektrode (15) derart einregelt, daß der Bo,?en (3) jenseits des konvergierenden, stromaufwärts Hegenden Flußtelis ansetzt.

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurcli gekennzeichnet, daß der Bogen 0,5 bis 2 mm jenseits des Mindestquerschnittes ansetzt, dessen kleinste Fläche zwischen 4,8 und 11,5 mm² bei einem Innendurchmesser von 2,5 bis 4 mm Hegt.

3. Schweißverfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Innere Umriß des Gasflusses sine geringere Konvergenz als die Konvergenz eines Außenumrlssc« hat und die Konvergenzdifferenz zwischen IO und 80°, vorzugsweise 20 bis 60°, beträgt.

4. Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dis Konvergenz des JS Außenumrisses des aufstromseitl_een Teils des Plasma erzeugenden Gasflusses zwischen 6G und 120° Hegt.

5. Schweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvergenz des Inneren Umrisses des aufstromseitigen Teils des Plasma erzeugenden Gasfiusses zwischen 30 und 60° Hegt.

6. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasma erzeugende Gasströmungsmenge zwischen 8 und 30 l/Min, liegt.

7. SchweiBvenahren naci· Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke zur Bildung des Plasmas zwischen 50 und 700 Amp., vorzugsweise zwischen 300 und 700 Amp., Hegt, während die Spannung zwischen 15 und 30 Volt, vorzugsweise zwisehen 20 und 28 Volt, Hegt.

8. Piösrnascriwelßbrenr.er zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, rnlt einer koaxial In einer Plasmagaszufuhrdüse (6) angeordneten Elektrode (15). wobei die Düse (6) einen konvergenten (9) und dann einen divergenten kegelstumpfformigen Teii i42) uiiü üic Elektrode ίί5) ein kegelstumpfförmiges Ende (17, 20) besitzt, wobei der konvergente Düsenteil (9) einen größeren Konvergenzwinkel als das kegelige Elektrodenende (17, 20) bat, dadurch gekennzeichnet, daß das kegelförmige Ende (17, 20) der Elektrode (15) über den Düsenhals (10) in Strömungsrichtung vorspringt und daß der Konvergenzwinkel des Düsenteils (9) um 10° bis 80°, vorzugsweise 20° bis 60°, größer ist.

9. Schweißbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel des konvergente» Düsenteils (9) zwischen 60 und 120° Hegt.

10. Schweißbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel des konischen Elektrodenendes (17, 20) zwischen 30 und 60° liegt.

11. Schweißbrenner nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangswinkel der Düse (6) zwischen dem konvergenten (9) und dem divergenten Teil (42) zwischen 60 und 130° Hegt.

!2. Schweißbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winke! des divergenten Düsenteils (42) zwischen 40 und 120° liegt.