DE2511204C2

DE2511204C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen

Info

Publication number: DE2511204C2
Application number: DE2511204A
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Gerardus Eindhoven Essers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1975-03-14
Publication date: 1983-06-23
Also published as: FR2265492A1; FR2265492B1; CA1027183A; FI750872A; IT1032431B; NL7404120A; NO139914C; NO139914B; US4039800A; ES435993A1; NO751015L; GB1444880A; SE7503388L; SE406871B; DE2511204A1; BE827150A; JPS50130662A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen, bei dem durch Ionisierung eines Gasstromes, welcher durch eine Düse geführt wird, zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein Plasmabogen erzeugt wird, welcher durch eine erste Stromquelle gespeist wird, gleichzeitig mittels einer abschmelzenden Elektrode im Plasmabogen ein MIG-Bogen aufrechterhalten wird, welcher durch eine zweite Stromquelle gespeist wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 23 32 070 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der MIG-Bogen zwischen der abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück unterhalten; dabei steht die dem Werkstück zugeführte Wärmemenge im Zusammenhang mit der zum Auftragen der abschmelzenden Elektrode erforderlichen Wärmemenge mit dem Nachteil einer großen thermisch beeinflußten Zone im

ίο Werkstück bei Anwendung hoher Stromstärken durch die abschmelzende Elektrode.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei dem zum Abschmelzen der abschmelzenden Elektrode eine hohe Temperatur verwendet

is werden kann, ohne daß das Werkstück übermäßig erhitzt wird.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch erreicht, daß der MIG-Bogen zwischen der abschmelzenden Elektrode und einer Hilfselektrode erzeugt wird, welche von der nicht-abschmelzenden

Elektrode und vom Werkstück unabhängig ist und

weiche zwischen der nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück angeordnet ist

Der MIG-Bogen und der Plasmabogen sind deutlich

voneinander getrennt, wobei der MIG-Bogen im wesentlichen die thermische Energie zum Schmelzen der abschmelzenden Elektrode liefert, während der Plasmabogen sowohl das Werkstück als die abschmelzende Elektrode erhitzt.

Da das Werkstück nicht mehr als Elektrode für den MIG-Bogen wirksam ist und das Werkstück durch den MIG-Bogen thermisch kaum noch beeinflußt wird, können sehr hohe Auftragsgeschwindigkeiten der abschmelzenden Elektrode erreicht werden, die wesent lieh höher sind als die mit den bekannten Verfahren erzielbaren Auftragsgeschwindigkeiten. Das erf'..idungsgemäße Verfahren eignet sich daher durchaus zum Auftragsschweißen.

Das erfindungsgemäßf Verfahren läßt sich im

allgemeinen bei jedem Schweißprozeß anwenden, bei dem eine stromführende abschmelzende Elektrode in einem thermisch ionisierten Gasstrom zum Schmelzen gebracht wird; das Verfahren eignet sich jedoch insbesondere zur Anwendung bei dem aus der DE-OS 23 32 070 bekannten Plasma-M IG-Schweißprozeß, wobei der Gasstrom durch einen Plasmabogen zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück ionisiert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Plasmabogen zwischen einer stabförmigen Plasmaelektrode und dem Werkstück erzeugt wird, wird der MIG-Bogen zwischen der abschmelzenden Elektrode und der als Hilfselektrode wirksamen Düse erzeugt. Dadurch ist es möglich, das Verfahren mit einem an sich bekannten Schweißbrenner durchzuführen ohne die Notwendigkeit, den Schweißbrenner mit einer besonderen Hilfselektrode zu versehen. Wenn jedoch die Düse nicht als Hilfselektrode verwendbar ist, weil sie bereits als nicht-abschmelzende Elektrode für den Plasmabogen wirksam ist, wird bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der MIG-Bögen zwischen der abschmelzenden Elektrode und einer

Ringelektrode erzeugt.

Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein aus der DE-PS 23 32 070 an sich bekannter Schweißbrenner mit einem Gehäuse mit einer Gaszu-

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fuhr, einer Düse einer nicht-abschmelzenden Elektrode, einem Kontaktrohr, mit Mitteln zum Anschließen der nicht-abschmelzenden Elektrode an eine erste Stromquelle zur Speisung eines Plasmabogens und mit Mitteln zum Anschließen des Kontaktrohres an eine zweite ^tromqueiie zur Speisung eines MIG-Bogens über eine abschmelzende Elektrode verwendet; dieser Schweißbrenner ist nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine Hilfselektrode, die Mittel zum Anschluß an die zweite Stromquelle aufweist.

Dadurch, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners die Düse als Hilfselektrode ausgebildet ist, wird eine gedrängte Konstruktion des Schweißbrenners erhalten. Dabei kann die Düse entweder aus Wolfram oder aus wassergekühltem Kupfer bestehen.

Eine preisgünstige Ausführungsform der Düse ist dadurch möglich, daß bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners die Düse mit mindestens einem Einsatz aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt versehen ist. Der Einsatz ist als eigentliche Hilfselektrode wirksam, wodurch die Lebensdauer der Düse verlängert wird.

Bei einer letzten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners ist die Düse als nicht-abschmelzende Elektrode ausgebildet und mit Mitteln zum Anschluß an die erste Stromquelle versehen und ist die Hilfselektrode durch eine Ringelektrode gebildet. Dabei wird der Gasstrom durch einen Plasmabogen, der zwischen der Düse und dem Werkstück unterhalten wird, ionisiert

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

F i g. 1 eine praktische Ausführungsform eines Schweißbrenners zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2, 3 und 4 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsf.rmen des erfindungsgemäßen Schweißbrenners.

F i g. 1 zeigt eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners. Dieser Schweißbrenner 1 besteht aus einem Gehäuse 3, das eine Kammer 5 enthält, deren oberes Ende durch eine Haube 7 aus elektrisch isolierendem Material abgeschlossen ist. Am unteren Ende des Gehäuses 3 befindet sich eine Düse 9 mit einer Öffnung 11. Am Gehäuse 3 ist mit .Hilfe einer Ringmutter 17 eine zylinderförmige Hülse 19 mit einer nicht-abschmelzenden Hilfselektrode 21, die mit einer Ausströmungsöffnung 23 versehen ist, befestigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hilfselektrode 21 als Ringelektrode ausgebildet.

Die Hilfselektrode 21 besteht aus Wolfram, vorzugsweise jedoch aus Kupfer. Das Gehäuse 3 und die Hülse 19 sind mittels eines ringförmigen Isolierelementes 25 gegeneinander elektrisch isoliert. Ein in der Haube 7 befestigtes Kontaktrohr 27, dessen Axialbohrung 29 zum Führen eines Schweißdrahtes 30 dient, liegt zentral in der Kammer 5.

Das Gehäuse 3 ist doppelwandig ausgebildet und weist einen Kühlmantel 33 mit Kühlwasseranschlüssen 35 und 37 zur Kühlung der Düse 9 auf. Die Hülse 19 ist mit einem Kühlmantel 39 und mit Kühlwasseranschlüssen 41 und 43 zu- Kühlung der Hilfselektrode 21 M versehen. Die Düse 9 ist mittels einer Schraubverbindung 53 auf dem Gehäuse ."-befestigt. Die Hilfselektrode 21 ist auf ähnliche Weise mittels einer Schraubverbindung 55 mit der Hülse 19 verbunden. Dadurch ist eine einfache Montage der Düse 9 und der Hilfselektrode 21 möglich. Die Haube 7 ist weiter mit mindestens einem Zuführungsrohr 57 zum Zuführen eines Plasmagases versehen. Außerdem kann die Hülse 19 mit einem oder mehreren Anschlüssen 59 zum Zuführen eines Schutzgases versehen werden.

Im betreffenden Ausführungsbeispiel ist die Düse 9 als nicht-abschmelzende Elektrode für den Plasmabogen wirksam und ist über einen Anschlußkontakt 61 mit einem der Pole einer Gleichstromquelle 69 über einen HF-Generator 71 verbunden. Der andere Pol der Stromquelle 69 ist mit einem Werkstück 73 verbunden. Die Düse 9 besteht, ebenso wie die Hilfselektrode 21, aus Wolfram oder Kupfer.

Der Schweißdraht 30 ist über einen Anschlußkontakt 63 auf dem Kontaktrohr 27 an einen der Pole einer zweiten Gleichstromquelle 75 angeschlossen. Die Hilfselektrode 21 ist über einen Anschlußkontakt 65 auf der Hülse 19 an den anderen Pol dr- Stromquelle 75 angeschlossen.

Der Vorschub des Schweißdrahtes 30 erfolgt mittels Antriebsrollen 81, die von einem Motor 83 mit regelbarer Geschwindigkeit angetrieben werden.

Die Wirkungsweise des Schweißbrenners ist wie folgt: nachdem die Düse 9, die Hilfselektrode 21, das Kontaktrohr 27 und das Werkstück 73 an die Gleichstromquellen 69 und 75 angeschlossen sind, wird über das Zuführungsrohr 57 ein Plasmagas zugeführt. Als Plasmagas werden in der Praxis Inertgase, Argon, Helium, Wasserstoff und Stickstoff sowie Gemische derselben verwendet. Durch eine HF-Entladung wird zwischen der Düse 9 und dem Werkstück 73 ein Plasmabogen gezündet, der von der Stromquelle 69 unterhalten wird. Der Plasmabogen greift am Innenumfang 67 der Düse 9 an. Das vom Plasmabogen erzeugte Plasma strömt mit hoher Geschwindigkeit aus der Öffnung 11 der Düse 9, durch die Ausströmungsöffnung 23 der Hilfselektrode 21 in Richtung des Werkstückes 73.

Dr*r Schweißdraht 30 wird durch die Bohrung 29 des Kontaktrohres 27 durch die Öffnung 11 der Düse 9 hindurch in Richtung des Werkstücks 73 geführt; zwischen dem Schweißdraht 30 und der Hilfselektrode 21 wird ein MIG-Bogen gezündet und unterhalten. Über die Anschlüsse 59 der Hülse 19 kann auf übliche Weise ein Schutzgas, dessen Zusammensetzung vom Plasmagas verschieden sein kann, zum Erhalten eines ausreichenden Schutzes des geschmolzenen Materials vor Oxydation zugeführt werden. Als Schutzgas kommen außer Edelgasen auch andere Gase in Betracht, wie Kohlensäuregas, Gasgemische aus Argon/ Sauerstoff, Argon/Helium, Argon/Sauerstoff/Kohlensäuregas, sowie Wasserstoff und Stickstoff.

Die F i g. 2, 3 und 4 zeigen auf schematiche Wtise weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schweißbrenners, wobei entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen angegeben sind. Bei diesen drei Ausführungsfcrmen ist die Düse 9 nicht mehr als nicht-abschmelzende Elektrode für den Plasmabogen P wirksam. Statt dessen ist im Gehäuse 3 eine Stabelektrode 85 aus Wolfram oder wassergekühltem Kupfer angeordnet, die an die Stromquelle 69 angeschlossen ist. Der Plasmabogen P wird nun zwischen dtr Stabelek'.rode 95 und dem Werkstück 75 unterhalten.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Hilfselektrode für den MIG-Bogen Mals stabförmi-

ge Wolframelektrode 87 ausgebildet, die über einen Elektrodenhalter 89 an die Stromquelle 75 angeschlossen ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Düse 9 als Hilfselektrode wirksam und an die Stromquelle 75 angeschlossen, wobei der MIG-Bogen M zwischen dem Schweißdraht 30 und dem Innenumfang 67 der Düse 9 unterhalten wird.

Eine längere Lebensdauer und eine geringere thermische Belastung der Düse 9 wird bei der Ausführungsform nach Γ i g. 4 erhalten. Dabei ist die Düse 9 ebenfalls als Hilfselektrode für den MIG-Bogen wirksam, wobei die Düse jedoch mit mindestens einem Einsatz 91 aus einem hochschmclzenden Material, beispielsweise Wolfram, versehen ist. Dieser Einsat/, bilde', die eigentliche Hilfselektrode für den MICJ-Ho gen. Vorzugsweise werden in der Düse zwei Einsätze 41 einander diametral gegenüberliegend angeordnet; die symmetrische Anordnung der rmsiii/c- ijiciei ücn Vorteil, daß die gegenseitige Beeinflussung der magnetischen Felder der einzelnen MIG-Bögen ausgeglichen wird.

Dadurch, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren

der MIG-Bogen /wischen dem Schweißdraht und der Hilfselektrode vom Werkstück und vom Plasmabogen unabhängig ist, wird das Werkstück in thermischer

-, Hinsicht vom MIG-Bogen kaum beeinflußt.

Versuche haben gezeigt, daß das Verfahren sich sehr gut zum Auftragen von Materialien mit sehr hohen Auftragsgeschwindigkeiten eignet. Nichtrostender Stahl wurde spritzerfrei mit einer Geschwindigkeit in zwischen 20 bis 40 kg/Stunde, je nach Ausführungsform und Stromparameiern, auf ein Werkstück aufgetragen.

Das Verfahrt läßt sich mit Wechselstrom sowie mit Gleichstrom, mn positiver oder negativer Polarität des Schweißdrahtes und der nicht-abst hmel/emlen l.lektm ! ·, de für den Plasmabogen durchführen.

In tier Zeichnung sind /ν. ei getrennte Stromquellen für den Plasmabogen und den MIG liogen dargesiell· Vorzugsweise bilden iliose beiden Mrumquellen eine'

ICK CIIICI K C I

:■■ Stromquellen jedoch unalih.ii'!_'ig voneinander π i-elbar sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, bei dem durch Ionisierung eines Gasstromes, welcher durch eine Düse (9) geführt wird, zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode (9, 85) und einem Werkstück (73) ein Plasmabogen erzeugt wird, welcher durch eine erste Stromquelle (69) gespeist wird, gleichzeitig mittels einer abschmelzenden Elektrode (30) im Plasmabogen ein MIG-Bogen aufrechterhalten wird, welcher durch eine zweite Stromquelle (75) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der MIG-Bogen zwischen der abschmelzenden Elektrode (30) und einer Hilfselektrode (21, 87, 9, 91) erzeugt wird, welche von der nicht-abschmelzenden Elektrode (9,85) und vom Werkstück (73) unabhängig ist und weiche zwischen der nicht-abschmelzenden Elektrode (9, 85) und dem Werkstück (73) angeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Plasmabogen zwischen einer stabförmigen Piasmaelektrode (85) und dem Werkstück (73) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der MIG-Bogen zwischen der abschmelzenden Elektrode (30) und der als Hilfselektrode wirksamen Düse (9) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (9) als nicht-abschmelzende Elektrode für den Plasmabogen wirksam ist und der MIG-Bogen zwischen der abschmelzenden Elektrode (30) uikI einer Ringelektrode (21) erzeugt wird.

4. Schweißbrenner zum Durchführen des Verfahrens nach einem de- Ansprüche 1 bis 3, mit einem Gehäuse (3) mit einer Gaszv'uhr (57), einer Düse (9), einer nicht-abschmelzenden Elektrode (9,85), einem Kontaktrohr (27), mit Mitteln (61) zum Anschließen der nicht-abschmelzenden Elektrode (9, 85) an eine erste Stromquelle (69) zum Anschließen des Kontaktrohres (27) an eine zweite Stromquelle (75) zur Speisung eines MIG-Bogens über eine abschmelzende Elektrode (30), gekennzeichnet durch eine Hilfselektrode (21, 87, 9, 91), die Mittel (65) ium Anschluß an die zweite Stromquelle (75) aufweist.

5. Schweißbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (9) als Hilfselektrode ausgebildet ist (F i g. 3).

6. Schweißbrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (9) mit mindestens einem Einsatz (91) aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt versehen ist (F i g. 4).

7. Schweißbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (9) als nicht-abschmelzende Elektrode ausgebildet und mit Mitteln (61) zum Anschluß an die erste Stromquelle (69) versehen ist und daß die Hilfselektrode durch eine Ringelektrode (21) gebildet ist (F i g. 1).