DE2449795A1

DE2449795A1 - Verfahren und vorrichtung zum bogenschweissen

Info

Publication number: DE2449795A1
Application number: DE19742449795
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Gerardus Essers; Gerrit Willem Tichelaar
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-10-31
Filing date: 1974-10-19
Publication date: 1975-05-07
Also published as: CA1023007A; JPS5074547A; FR2249737A1; BE821625A; DE2449795C2; CH593112A5; FR2249737B1; IT1021965B; NL169837C; SE7413542L; NL7314927A; GB1453494A; SE398989B

Description

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17. Okt. 1974

"Verfahren und Vorrichtung zum Bogenschweissen"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtvxng zum Bogenschweissen, wobei eine abschmelzendβ Elektrode axial durch eine Düse geführt wird und zwisehen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein Schweissbogen aufrechterhalten wird, in einem thermisch ionisierten Gas, das dadurch erzeugt wird, dass in einem Gasstrom ein Plasmabogen zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück unterhalten wird.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der britischen Patentschrift 1 276 110 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Plasmabogen zwischen dem

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Werkstück und einer gesonderten Wolframelektrode unterhalten, die stromaufwärts der Düse angeordnet ist; der minimale Abstand zwischen der Wolframelektrode'und dem Werkstück ist verhältnismässig gross. Dies beeinträchtigt die Stabilität des Plasmabogens.

Die Erfindung bezweckt nun, ein Verfahren zu schaffen, das diesen Nachteil nicht aufweist und das auf einfachere Art und Weise und mit einer vereinfachton Vorrichtung durchgeführt werden kann.

Dies wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass der Plasmabogen, zwischen der Innenwand der Düse und dem Werkstück beibehalten wird. Da die Düse als nicht abschmelzende Elektrode verwendet wird, ist eine gesonderte Wolframelektrode überflüssig; weil die Haftung des Plasmabogens an der Innenwand der Düse erfolgt, wird das thermisch ionisierte Gas, nachstehend als Bogenplasma bezeichnet, dichter an die abschmelzende Elektrode gebracht, wodurch die Wärmeübertragung auf die abschmelzende Elektrode verbessert wird; da die Länge des Plasmabogens, d.h. der Abstand zwischen der Haftung des Plasmäbogens auf der Innenwand der- Düse und dem Werkstück, nur wenig grosser ist als der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück, wird die Stabilität des Plasmabogens verbessert. Ausserdem können beim erfindungsgemässen Verfahren abschmelzende Elektroden

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verwendet v/erden mit einem grösseren Durclimesser und mit höheren Schweisströmen als beim bekannten Verfahren,

Bei einer bevorzugten Form des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Plasmabogen durch den Schweiss» bogen spontan gezündet. Dabei kann der Schweissbogen · auf einfache Weise dadurch gezündet werden, dass die abschmelzende Elektrode mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird; der beim bekannten Verfahren zur Zündung des Plasmabogens erforderliche Hochfrequenzgenerator ist somit nicht mehr notwendig,Ausserdem ist ein Erlöschen des Plasrnabogens während des Schweissvorganges praktisch ausgeschlossen.

Die als nicht abschmelzende Elektrode wirksame Düse kann beispielsweise aus Wolfram -bestehen. Eine Düse aus ¥olfram weist jedoch den Nachteil auf, dass bei positiver Polarität der Düse und der abschmelzenden Elektrode das Wolfram örtlich schmelzen kann und leichter eine Anode für den Plasmabogen bildet als der restliche kältere Teil der Düse} dies würde zu einer ungleichmassigen Haftung des Plasmabogens an der Düse führen. Ein weiterer Nachteil einer aus Wolfram bestehenden Düse ist, dass Spritzer des Werkstücks sich mit dem örtlich geschmolzenen Wolfram vermischen und das Werkstückmaterial danach langsam verdampft, was zu einer UnstabilitMt des Plasmabogens führt,

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Diese Nachteile werden bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgenässen Verfahrens dadurch vermieden, dass eine wassergekühlte Düse aus Kupfer verwendet wird. Versuche haben gezeigt, dass eine derartige Düse durch die hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit des Kupfers nicht abschmilzt void eine gleichmassige Temperatur über den Umfang aufweist, so dass eine gleichmässige Haftung des Plasmabogens am ganzen Innenumfang der Düse erzielt wird.

Zum Durchführen des Verfahrens wird ein Schweiss» brenner verwendet mit einem Gehäuse, das eine Düse mit einer Durchströmungsöffnung, eine Gaszufuhr, ein Kontaktrohr und Mittel zum Anschliessen des Kontaktrohres an eine Stromquelle aufweist; dieser Schweissbrenner weist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Düse als nicht abschmelzende Elektrode ausgebildet ist, und mit Mitteln zum Anschliessen an eine Stromquelle sowie mit einem die üurchströmungsöffnung umgebenden und als Ringelektrode wirksamen Kragen versehen ist. Durch diese Massnahme ist es möglich, das Verfahren mit einem verhältnismässig einfachen und gedrängten Schweissbrenner. durchzuführen. Dadurch, dass eine gesonderte Wolframelektrode im Schweissbrenner fehlt, kann das Kontaktrohr bis dicht an die Düse gebracht werden, so dass mit einer sehr kurzen Länge des Schweissdrahtes, d.h. des frei

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herausragenden Teiles des Sch.weissdrah.tes vom Ende des Kontalctrohres, geschweisst werden kann. Durch den als Ringelektrode wirksamen Kragen wird stromaufwärts der Durchstromungsoffnung eine Erweiterung erhalten; dadurch wird vermieden, dass der Plasmabogen unter bestimmten Umständen an der Innenwand der Düse zu weit nach oben kriechen und auf das Kontaktrohr überspringen kann, das dann beschädigt wird; die Haftung des Plasmabogens wird dadurch stabilisiert und am Innenumfang des Kragens lokalisiert.

Es sei bemerkt, dass Schweissbrenner, deren

Düse mit einem die Durchströmungsc5ffnung umgebenden Kragen versehen ist, an sich bekannt sind. Bei diesen bekannten Schweissbrennern sind Düse und Kragen jedoch nicht als Elektrode wirksam.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Schweissbrenners nach der Erfindung besteht die Düse aus Kupfer und ist mit Kühlkanälen versehen. Eine Kupferdüse lässt sich auf preisgünstige und einfache Weise herstellen.

Die Erfindung bezieht sich ebenfall's auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit zwei unabhängig voneinander regelbaren Stromquell-en und mit Mitteln zum Antrieb einer abschmelzenden Elektrode, Eine der Stromquellen weist eine flache Kennlinie auf und

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dient auf an sich bekannte Weise zum Unterhalten des. Schweissbogens; die andere Stromquelle hat eine stark fallende Kennlinie und dient zum Beibehalten des Plasmabogens, Diese Vorrichtung ist durch einen Sch^eiss-brenner nach der Erfindung gekennzeichnet, %vobei das Kontaktrohr an die eine Stromquelle und die Düse an die andere Stromquelle angeschlossen sind. Durch die unabhängige Regelung der zwei Stromquellen können der Schweissbogen und der Plasmabogen auf optimale Weise gewählt werden. Es kann mit der abschmelzenden und der nicht abschmelzenden Elektrode am negativen Pol geschweisst werden, wobei der Schweissbogen die Form eines Kegels mit einem geringen Scheitelwinkel hat. Wenn mit den beiden Elektroden am positiven Pol geschweisst wird, können durch Aenderuixgen der Stromstärken auf an sich bekannte Weise verschiedene Formen von Materialübergang'erhalten werden und zwar ein zylinderförmiger oder kegelförmiger Schweissbogen mit einem konzentrierten Materialübergang sowie ein rotierender Schweissbogen mit einem gestreuten Materialübergang,

Es sei bemerkt, dass es an sich bekannt ist, mit einem Schweissbogen zwischen einer abschmelzenden. Elektrode und einem Werkstück und mit einem Plasmabogen zwischen einer Düse vmd einem Werkstück zu schweissen. Dabei erfolgt die Haftung des Plasmabogens jedoch an der

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Unterseite der Düse, die aus Wolfram besteht. Zum Zünden muss zunächst der Plasmabogen erzeugt werden. Die beiden Elektroden sind an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen. Zum Beibehalten des Plasmabogens muss diese Qtielle eine stark fallende Kennlinie aufweisen, so dass die Stromstärke durch die abschmelzende Elektrode nicht auf die gewünschte Weise geändert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben, ^ι

Die Vorrichtung λ_ enthält einen Schweissbrenner mit einem Gehäuse 5j das mit einer Düse 7 versehen ist, die eine Durchströmungsbffnung 9 mit einem Durchmesser d aufweist.Im Gehäuse 5 befindet sich ein Kontalctrohr 11, das mittels einer Haube 12 aus isolierendem Material gegenüber dem Gehäuse 5 isoliert ist. Durch das Kontaktrohr 11 kann ein Schweissdraht 13 axial durch die Durchströmungsöffnung 9 in Richtung eines Werkstücks 15 geführt werden. Der Vorschub des Schweissdrahtes 13 erfolgt mittels Transportrollen 17 die mit veränderbarer Geschwindigkeit von einem Motor 19 angetrieben werden«

Der Schweinsbrenner 3 ist weiter mit einer Zuführungs- ! leitung 21 zum Zuführen eines Plasmagases, beispielsweise ! Argon, versehen. Eine die Düse 7 umgebende Schutzkappe ist mit einem Anschluss 25 zum Zuführen eines Schutsgases,

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beispielsweise eines Argon-Kohlensäure-Gasgemisches, versehen. Das Schutzgas dient im wesentlichen zum Schütze des Schmelzbades und des Werkstücks gegen Oxydation, Die Düse 7 ist mit Kühlkammern 27 versehen, die über Kühlkanäle 29 im Gehäuse 5 mit Anschlüssen 31 und 33 zum Zu- und Abführen von Kühlwasser verbunden sind.

Die Düse 7 ist als nicht abschmelzende Elektrode wirksam und besteht dazu aus Kupfer und ist mit einen die Durchströmungsöffnung 9 umgebenden Kragen 35 mit einem zylinderförmigen Innenumfang 37 versehen. Der Innendurchmesser D der Düse 7 stromaufwärts des Kragens sowie der Innendurchmesser des Gehäuses 5 ist grosser als der Durchmesser d der Durchströmungsöffnung 9· Dadurch ist stromaufwärts des Kragens 35 eine das Kontaktrohr 11 umgebende erweitete Kammer 39 gebildet. Der Schweissdraht 13 ist mittels des Kontaktrohres 11 und einer Anschlussklemme h] an einen der Pole einer ersten Stromquelle ^3 angeschlossen, die eine flache Kennlinie hat und deren anderer Pol mit dem Werkstück 15 verbunden ist. Mittels einer Anschlussklemme 4 5 auf dem Gehäuse ist die Düse 7 ^an einen der Pole einer zweiten Stromquelle 47 angeschlossen, die eine fallende Kennlinie hat und deren anderer Pol mit dem Werkstück 15 verbunden ist. Das Kontaktrohr 11 und die Düse 7 haben die gleiche Polarität, Mit a ist der Abstand zwischen der Düse 7

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und dem Werkstück I5 angegeben; mit b ist die herausragende Länge des Sch.weissdrah.tes 13 angegeben.

Zum Durchführen des Verfahrens wird über die Zuführungsleitung 21 ein Pla.smagas durch das Gehäuse 3 geführt, Ueber den Anschluss 25 in. der Schutzhaube 23 wird ein Schutzgas zugeführt. Dadurch, dass der Schweiss~ draht 13 mit dem Werkstück 15 in Kontakt gebracht wird, wird ein Schweissbogen h9 erzeugt. Durch den Schweissbogen wird zwischen der Düse 7 und dem Werkstück 15 ein Plasmabogen 51 spontan gezündet. Das durch die Durchströmungsöffnung 9 strömende Plasmagas 51 ionisiert und bildet einen Mantel, der das freie Ende des Schwelssdraht.es 13 sowie den ,Schweissbogen h9 umgibt.

Durch die elektromagnetische Kraft, die der Strom im Schweissdraht auf das ionisierte Plasmagas ausübt, wird der Plasmabogen radial einwärts und aufwärts gezogen, um sich an den zylinderförmigen Innenumfang 37 des Kragens 35 zu heften, der als Ringelektrode wirksam ist. Durch die beschränkte axiale Abmessung des Innenumfangs 37 und durch die erweiterte Kammer 39 stromaufwärts des Kragens 35 wird ein etwaiges Hochkriechen des Plasmabogens vermieden.

In der Zeichnung ist nur eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Es dürfte jedoch einleuchten, dass die Düse und der Kragen andere

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Abmessungen und eine andere Form haben können. Notwendig ist, dass der Kragen als Ringelektrode wirksam sein kann und dass stromaufwärts des Kragens in der Düse und/oder im Gehäuse ein-erweiterter Raum vorhanden ist.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE

1,i Verfahren zum Bogenschweissen, wobei eine abschmelzende Elektrode axial durch eine Düse geführt wird und zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein Schweissbogen aufrechterhalten wird, in einem'thermisch ionisiertem Gas, das dadurch erzeugt wird, dass in einem Gasstrom ein Plasmabogen zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück unterhalten wird, dadurch gekonnzeichnet, dass der Plasmabogen zwischen der Innenwand der Düse und dem Werkstück beibehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabogen durch den Schweissbogen spontan gezündet wird,

3» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine wassergekühlte Düse, aus Kupfer verwendet wird. ¹I-. Schweissbrenner zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einem Gehäuse, das eine Düse mit einer Durchströmungsöffnung, eine:- Gaszufuhr, ein Kontaktrohr und Mittel zum Anschliessen des Kontaktrohres an eine Stromquelle aufweist, dadurch-gekennzeichnet, dass die Düse (7) als nicht abschmelzende Elektrode ausgebildet ist und mit Mitteln zum Anschluss an eine Stromquelle (Ί-7) sowie mit einem die Durchströrnungsöffnung (°i umgebenden und als Ringelektrode wirksamen Kragen (35) ^! versehen ist.

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5. Schweissbrenner nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (7) aus Kupfer besteht und mit Kühlkanälen (29) versehen ist_f

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit zwei unabhängig voneinander regelbaren Stromquellen und mit Mitteln zum Antrieb einer abschmelzenden Elektrode, gekennzeichnet durch einen Schweissbrenner nach Anspruch h oder 5» wobei das Kontaktrohr (11) an die eine Stromquelle (43) und die Düse (7) an die andere-Stromquelle (^7) angeschlossen sind.

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