DE2416422A1

DE2416422A1 - Verfahren und vorrichtung zum lichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE2416422A1
Application number: DE2416422A
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Gerardus Essers; Gerardus Jelmorini; Gerrit Willem Tichelaar
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-04-04
Publication date: 1974-10-24
Also published as: GB1456539A; JPS5011953A; AU6765674A; CA1022626A; NL7304888A; BE813444A; FR2224240A1; IT1004457B; JPS5439822B2; US4174477A

Description

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Akia No. PHN- 6846

Anmeldung vom; 3. April 1974

Verfahren und Vorrichtung zum Lxchtbogenschwexssen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lxchtbogenschwexssen, wobei ein primärer Lichtbogen zwischen einem zu schweissenden Werkstück und mindestens einer abschmelzenden Elektrode in einem thermisch ionisierten Gas brennt, und zur Erzeugung dieses Gases ein sekundärer Lichtbogen zwischen mindestens zwei Hilfselektroden in einem Gasstrom aufrechterhalten wird.

Bei einem derartigen bekannten Verfahren wird der sekundäre Lichtbogen zwischen einerseits einer nichtabschmelzenden Elektrode und andererseits einer abschmelzenden Elektrode und/oder einem Werkstück unterhalten. Das Vorhandensein des sekundären Lichtbogens ist also von der abschmelzenden Elektrode und/oder vom Werkstück abhängig. Dies ist unter Umstanden nachteilig, beispielsweise beim

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programmierten Schweissen einer Anzahl Werkstücke in Serie, wobei dann der primäre Lichtbogen sowie der sekundäre Lichtbogen jeweils unterbrochen werden müssen. Beim halbautomatischen Schweissen, wobei der Schweissbrenner mit der Hand gehalten wird, kann eine unbeabsichtigte Vergrösserung des Abstandes zwischen Schweissbrenner und Werkstück eine unerwünschte Unterbrechung des sekundären Lichtbogens herbeiführen.

Die Erfindung bezweckt nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen zu schaffen, das bzw. die diese Nachteile nicht aufweist und wodurch es ermöglicht wird, den primären Lichtbogen auf einfache Weise * verzögerungs- und störungsfrei zu zünden und aufrecht zu erhalten und zwar in einem thermisch ionisierten Gas, das durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugt wird, der nicht abhängig ist vom Werkstück und/oder der abschmelzenden Elektrode.

Dies wird nach der Erfindung im wesentlichen

dadurch erreicht, dass der sekundäre Lichtbogen ausschliess— lieh und unabhängig vom primären Lichtbogen zwischen als Hilfselektroden wirksamen von der abschmelzenden Elektrode und vom Werkstück unabhängigen nicht-abschmelzenden Elektroden unterhalten wird.

Dadurch ist ein Lichtbogenschweissverfahren

möglich, bei dem auf vorteilhafte Weise das bei diesem Schweissverfahren ohnehin vorhandene thermisch ionisierte Gas,welches nachstehend als Plasma bezeichnet wird zum Zünden des primären Lichtbogens und zum Schweissen mit demselben benutzt werden kann. Da weder die abschmelzende Elektrode noch das Werkstück als einfache Elektrode zum Erzeugen des Plasmas wirksam sind, kann der primäre Lichtbogen unterbrochen werden, ohne dass

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der sekundäre Lichtbogen und das Plasma unterbrochen werden. Die Zündung des primären Lichtbogens erfolgt mittels des Plasmas, das durch den nicht unterbrochenen sekundären Lichtbogen aufrechterhalten wird ohne dass besondere Massnahmen, wie eine Hochfrequenzentladung oder ein Kurzschlusskontakt zwischen dem Schweissdraht und «eiern Werkstück, erforderlich sind Beim Schweissen kann der Abstand zwischen Werkstück und Schweissbrenner innerhalb weiter Grenzen in der Grössenordnung von 2 bis 50 mm geändert werden ohne dass eine Unterbrechung des primären Lichtbogens verursacht wird. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lässt sich eine Serie Werkstücke nacheinander mit einem hohen Wirkungsgrad bearbeiten.

Es sei bemerkt, dass es bereits bekannt ist,

beim Schweissen in einem Schutzgas mit einer nicht-abschmelzenden Elektrode den Schweissbogen mittels eines nicht' übertragenen Plasmabogens zu zünden. Der Plasmabogen, der normalerweise bei diesem Schweissverfahren nicht notwendig ist, muss mit Hilfe spezieller Mittel zusätzlich erzeugt werden. Ausserdem muss der Plasmabogen für jede Zündung des Schweissbogens erneut erzeugt werden.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das ionisierte Gas konzentrisch um das Ende der abschmelzenden Elektrode geführt. Dadurch wird erreicht, dass das Ende der abschmelzenden Elektrode über den ganzen Umfang von einem Mantel ionisierten Gases umgeben ist, wodurch die Zündung des primären Lichtbogens erleichtert und der Schweissprozess verbessert wird.

Zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet mit einem Schweissbrenner, der

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ein Gehäuse mit einer Kammer, eine Düse mit einer Plasmaöffnung und mindestens eine nicht-abschmelzende Elektrode in der Kammer aufweist, welche Vorrichtung weiter Mittel zum Zuführen einer abschmelzenden Elektrode und zwei unabhängig voneinander regelbare Stromquellen aufweist. Nach der Erfindung ist diese Vorrichtung gekennzeichnet durch mindestens eine komplementäre nicht-abschmelzende Elektrode, wobei die beiden nicht-abschmelzenden Elektroden an die Pole der einen Stromquelle angeschlossen sind, während die abschmelzende Elektrode an einen der Pole der zweiten Stromquelle ange—. schlossen ist, deren anderer Pol mit einem Werkstück verbunden werden kann. Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung lassen sich Werkstücke programmiert und in Serie störungsfrei schweissen, wodurch die Automatisierung des Schweissverfahrens erleichtert wird und die Anwendungsmöglichkeiten vergrö'ssert werden.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die komplementäre .nichtabschmelzende Elektrode ringförmig ausgebildet, koaxial zur Plasmaöffnung und stromabwärts von der Düse am Gehäuse angeordnet. Durch die gekennzeichnete Ausbildung und Anordnung der komplementären Elektrode wird der Schweissdraht beim Schweissen auf optimale Weise vom ionisierten Gasstrom umgeben.

Bei einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform

der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Düse als komplementäre nicht—abschmelzende Elektrode ausgebildet. Dadurch, dass die Düse als komplementäre Elektrode des sekundären Lichtbogens wirksam ist, kann eine sehr kompakte Bauweise des Schweissbrenners erhalten werden.

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Eine gedrängte Bauweise des Schweissbrenners lässt sich auch dadurch erzielen, dass bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung die komplementäre nicht-abschmelzende Elektrode in der Kammer angeordnet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 2 eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,

Fig. 3» k und 5 weitere Ausführungsformen der Vorrichtung.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird an Hand der in Fig. 1 auf schematische Weise dargestellten Vorrichtung" näher erläutert, welche die zum Durchführen des Verfahrens notwendigen Elemente enthält. Zwischen einem Werkstück A und einer abschmelzenden Elektrode B wird ein primärer Lichtbogen C unterhalten in einem ionisierten Gas bzw. in einem Hilfsplasma D, das durch die Plasmaöffnung 0 einer Düse E geführt wird. Das Hilfsplasma wird von einem sekundären elektrischen Lichtbogen P erzeugt, der in änem Gasstrom F, beispielsweise Argon, zwischen zwei nicht-abschmelzenden Hilfselektroden G und H aufrechterhalten wird; die Hilfselektrode G, die beispielsweise aus Wolfram besteht, befindet sich stromaufwärts bezüglich der Düse E; die Hilfselektrode H hat die Form eines wassergekühlten' Kupferringes und befindet sich zwischen der

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Düse E und dem Werkstück A. Die beiden Hilfselektroden G und H sind an die Pole einer ersten Stromquelle M angeschlossen, während die abschmelzende Elektrode B über ein Kontaktrohr K •sowie das Werkstück A an eine zweite Stromquelle N angeschlossen sind. Das Hilfsplasma D wird ausschliesslich vom sekundären Lichtbogen zwischen den beiden nicht-abschmelzenden Hilfselektroden G und H erzeugt und ist sowohl von der abschmelzenden Elektrode B als vom Werkstück A unabhängig. Tiber eine Hülse L wird ein Schutzgas S beispielsweise ein .Argon-Kohlensäuregemisch zugeführt. Ein Schutzgasstrom T kann ausserdem durch den Raum zwischen der Düse E und der Hilfselektrode H zugeführt werden. Mit der erfindungsgemässön Vorrichtung kann der primäre Lichtbogen ohne Ausschaltung des sekundären Lichtbogens unterbrochen und danach mittels des Hilfsplasmas wieder gezündet werden, ohne dass eine Hochfrequenzentladung bzw. ein Kurzschlusskontakt zwischen der abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück notwendig ist. Fig. 2 zeigt eine praktische Ausführungsform der" erfindungsgemässen Vorrichtung. Diese Vorrichtung enthält einen aus mehreren Teilen zusammengestellten Brenner 1 mit einem Z3^rlinderf örmigen Gehäuse 3» das eine Kammer 5 enthält, deren oberes Ende durch eine Kappe 7 aus elektrisch isolierendem Material abgeschlossen ist. Am unteren Ende des Gehäuses 3 ist eine Düse 9 mit einer Plasmaöffnung 11 angebracht. Eine stabförmige nicht-abschmelzende Elektrode 13 ist in der Kappe 7 befestigt und bezüglich der Plasmaöffnung 11 exzentrisch in der Kammer 5 angeordnet. Die innere Wand der Kammer 5 ist mit einem elektrisch isolierenden Belag 15 versehen. Auf dem Gehäuse 3 ist mit Hilfe einer Ringmutter 17 eine zylinder-

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förmige Hülse 19 mit einer komplementären ringförmigen nichtabschmelzenden Elektrode 21 mit einer Ausströmöffnung 23 befestigt. Das Gehäuse 3 und die Hülse 19 sind gegenüber einander elektrisch isoliert und zwar mittels eines ringförmigen Isolierelementes 25· Ein in der Kappe 7 befestigtes Führungsund Kontaktrohr 27 mit einer axialen Bohrung 29 zur Führung eines Schweissdrahtes 30 ist zentral in der Kammer 5 angeοrdnet.

Das Gehäuse 3 ist doppelwandig ausgebildet und enthält einen Kühlmantel 33 mit Anschlüssen 35> 375 die Hülse 19 ist mit einem Kühlmantel 39 mit Kühlwasseranschlüssen 41 und 43 zur Kühlung der Elektrode 21 versehen. Die Elektrode 13 ist vorzugsweise aus zwei Teilen zusammengestellt und zwar aus dem vom elektrischen Lichtbogen zu belastenden punktförmigen Ende 45, das die eigentliche Elektrode bildet und aus hochschmelzendem Metall, beispielsweise YoIfram besteht, und dem als Elektrodenhalter dienenden Teil 47» der aus einem thermisch gut leitenden Metall, beispielsweise Kupfer besteht. Vorzugsweise ist der Elektrodenhalter 47 mit nicht dargestellten Kühlkanälen und mit Anschlüssen 49 und 51 zur "Wasserzu- und -abfuhr versehen. Die Düse 9 und die komplementäre Elektrode 21 sind ebenfalls aus Kupfer hergestellt. Die Düse 9 is* mittels einer Schraubverbindung 53 auf dem Gehäuse befestigt. Die komplementäre Elektrode 21 ist auf ähnliche Weise mittels einer Schraubverbindung 55 mit der Hülse I9 verbunden. Dadurch ist eine einfache Montage und Demontage der Düse 9 und der komplementären Elektrode 21 mpglich. Die Kappe 7 ist weiter mit mindestens einem .Zuführrohr 57 zum Zuführen eines Plasmagases versehen. Ausserdem kann die

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Hülse 19 mit einem oder mehreren Anschlüssen 59 zum Zuführen eines Schutzgases versehen werden. Die Anschlusskontakte 61 un 63 dienen zum Anschluss der Elektroden 13 und 21 an die Pole 65 bzw. 67 einer Gleichstromquelle 69 und zwar über einen HF-generator 71·

Mit 73 ist ein Werkstück bezeichnet. Der Schweissdraht 30 .ist über das Kontaktrohr 27 an den Pol 77 einer zweiten unabhängigen Gleichstromquelle 75 angeschlossen, deren anderer Pol 79 mit dem Werkstück 73 verbunden ist. Die Zufuhr des Schweissdrahtes 30 kann mittels Antriebsrollen 81, die von einem Motor 83 mit einer regelbaren Geschwindigkeit angetrieben werden, erfolgen.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nun wie

folgt: nachdem die beiden nicht-abschmelzenden Elektroden I3 und 21, der Schweissdraht 30 und das Werkstück 73 'auf die beschriebene Art und Weise an die Gleichstromquellen 69 und 75 angeschlossen sind, wird über das Zuführrohr 57 ein Plasmagas zugeführt. Als Plasmagas werden in der Praxis inerte Gase, Argon, Helium, Wasserstoff und Stickstoff sowie Gemische derselben verwendet, während es auch möglich ist, oxydierende Gase bei Verwendung von Sonderelektroden zu verwenden. Mittels einer Hochfrequenzentladung wird zwischen den beiden nichtabschmelzenden Elektroden I3 und 21 ein Plasmabogen gezündet, der durch die Stromquelle 69 im Gasstrom aufrechterhalten wird, Das vom Plasmabogen erzeugte Hilfsplasma strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Plasmaöffnung 11 der Düse 9 und durch die Ausströmungsöffnung 23 der komplementären Elektrode 21 in Richtung des Werkstücks 73.

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Der Schweissdraht 30 wird durch die Bohrung 29 des Kontaktrohres 27 in das Hilfsplasma, in Richtung des Werkstücks geführt, wobei zwischen dem Schweissdraht und dem Werkstück ebenfalls ein Bogen gezündet und unterhalten wird. ¥eil das Ende des Schweissdrahtes vom Hilfsplasma völlig umgeben ist, kann der primäre Lichtbogen zwischen dem Schweissdraht und dem Werkstück ohne eine Hochfrequenzentladung bzw. einen Kurzschlusskontakt zwischen dem Schweissdraht und dem Werkstück gezündet werden. Beim Werkstückwechsel braucht nur der primäre Bogen unterbrochen zu werden, während der Plasmabogen ununterbrochen beibehalten wird. Nachdem ein anderes zu bearbeitendes Werkstück mit der Stromquelle 75 verbunden ist, wird der primäre Lichtbogen aufs neue vom Hilfsplasma gezündet. Meistens wird mit der Elektrode 13 und mit dem Schweissdraht 30 an den negativen Polen der Gleichstromquellen 09 und 75 geschweisst. Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich jedoch auch mit der Elektrode 13 und dem Schweissdraht 30 an den positiven Polen der Stromquellen oder mit einer Wechselstromquelle für den sekundären.Lichtbogen durchführen. Durch die Anschlüsse 59 in der Hülse 19 kam auf übliche Weise ein Schutzgas, das in seiner Zusammensetzung vom Plasmagas abweichen kann, zum Erhalten eines ausreichenden Schutzes des geschmolzenen Matex'ials vor Oxydation zugeführt werden. Eventuell kann Schweisstelle zusätzlich durch einen weiteren Schutzgasstrom geschützt werden. Als Schutzgas kommen ausser den Edelgasen auch andere Gase in Betracht, wie Kohlensäuregas, Gasgemische aus Argon/Sauerstoff, Argon/ Helium, Argon/Sauerstoff/Kohlensäuregas, sowie Wasserstoff und Stickstoff.

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Die Fig. 3» ^- und 5 zeigen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung, wobei entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen angegeben sind.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung ist die Düse 9 als komplementäre nicht-abschmelzende Elektrode 91 wirksam; dazu kann die Düse als wassergekühlter Kupferring ausgebildet werden, der gegenüber dem Gehäuse 3 isoliert ist.

Bei der Ausführungsform, nach Fig. h ist die

nicht-abschmelzende komplementäre Elektrode 93 stabförmig ausgebildet und im Gehäuse 3 gegenüber der nicht-abschmelzendai Elektrode 13 angeordnet,

Fig. 5 zeigt eine letzte Ausführungsform, wobei die komplementäre nicht abschmelzende Elektrode 95 ebenfalls im Gehäuse 3 angeordnet ist, wobei jedoch die beiden nicht abschmelzenden Elektroden 13 und 95 sich an der gleichen Seite bezüglich des Kontaktrohrs 27 befinden.

In der Zeichnung sind zwei getrennte Stromquellen für den Plasmabogen und den primären Bogen dargestellt. Vorzugsweise bilden die zwei Stromquellen einen Teil einer gemeinsamen Regeleinheit, wobei die beiden Stromquellen jedoch unabhängig voneinander regelbar sind.

Die Erfindung wurde an Hand von Ausführungsbeispielen mit zwei nicht-abschmelzenden Elektroden und einer abschmelzenden Elektrode näher erläutert. Es dürfte einleuchten, dass das erfindungsgemässe Verfahren auch mit mehr als zwei nicht-abschmelzenden Elektroden durchgeführt werden kann, wenn nur die nicht—abschmelzenden Elektroden einerseits und die abschmelzende Elektrode andererseits unabhängig voneinander sind.

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Claims

TENTANS PRUC HE:

1.1 Verfahren zum Lichtbogenschweissen, wobei ein primärer Lichtbogen zwischen einem zu schweissenden Werkstück und mindestens einer abschmelzenden Elektrode in einem thermisch ionisierten Gas brennt, und zur Erzeugung dieses Gases ein sekundärer Lichtbogen zwischen mindestens zwei Hilfselektroden in einem Gasstrom aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Lichtbogen ausschliesslich und unabhängig vom primären Lichtbogen zwischen als Hilfselektroden wirksamen von der abschmelzenden Elektrode und vom Werkstück unabhängigen nicht-abschmelzenden Elektroden unterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ionisierte Gas konzentrisch um das Ende der abschmelzenden Elektrode geführt wird.

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Schweissbrenner, der ein Gehäuse mit einer Kammer, eine Düse mit einer Plasmaöffnung und mindestens einer nicht-abschmelzenden Elektrode in der Kammer aufweist, welche Vorrichtung weiter Mittel zum Zuführen einer abschmelzenden Elektrode und zwei unabhängig voneinander regelbare Stromquellen aufweist, gekennzeichnet durch mindestens eine komplementäre nicht-abschmelzende Elektrode, wobei die beiden nicht-abschmelzenden Elektroden an die Pole der einen Stromquelle angeschlossen sind, während die abschmelzende Elektrode an einen der Pole der zweiten Stromquelle angeschlossen ist, deren anderer Pol mit einem Werkstück verbunden werden kann.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die komplementäre nicht-abschmelzende Elektrode ringförmig ausgebildet, zur Plasmaöffnung koaxial und stromabwärts von der Düse am Gehäuse angeordnet ist.

5· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Düse als komplementäre nicht-abschmelzende Elektrode ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekenn-

zeichneti dass die kompl.ementäre nicht-abschmelzende Elektrode in der Kammer angeordnet ist.

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