DE2513090A1

DE2513090A1 - Verfahren und vorrichtung zum plasma- mig-schweissen

Info

Publication number: DE2513090A1
Application number: DE19752513090
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Gerardus Essers; Gerardus Jelmorini; Gerrit Willem Tichelaar
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-04-05
Filing date: 1975-03-25
Publication date: 1975-10-09
Also published as: IT1035156B; GB1449592A; JPS50136248A; FR2266569A1; NL7404658A; FI750978A; ES436270A1; SE406721B; DE2513090C2; SE7503771L; NO751121L; CA1026829A; FR2266569B1; BE827537A

Description

.*-,.. :' -:;:. V. i Lir'i :·. jl „AMPZNFA3RitKtN WIJ/EVH

Afcte: phi 7468

Ar-Meldung vom: 24»3o75 10.2.1 975 ,

Verfahren und Vorrichtung zum Plasma-MIG-Schweissen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plasma-MIG-Schweissen, wobei eine abschmelzende Elektrode durch eine Düse geführt und ein MIG-Bogen in einem Plasma-Bogen unterhalten wird, der dadurch erzeugt wird, dass in einem Gasstrom zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein Plasmabogen unterhalten wird.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der britischen Patentschrift 1 276 110 bekannt..Bei diesem bekannten Verfahren wird die maximale Stromstärke des Plasmabogens durch die Abmessungen und die Kühlleistung

509841/0678

PHN.7^68.

der nicht-abschmelzenden Elektrode, die im Gehäuse angeordnet ist, bestimmt. Eine stabförmige Wolframelektrode mit einem Durchmesser von 6 mm kann beispielsweise bei positiver Polarität und unter den günstigsten Umständen mit einem Strom von maximal 200 A belastet werden. Zum Schweissen mit höheren Stromstärken kann eine zweite nicht-abschmelzende Elektrode im Gehäuse angeordnet werden; dadurch könnte jedoch die Stabilität des Plasmabogens beeinträchtigt werden.

Die Erfindung bezweckt nun, ein Verfahren zu schaffen, bei dem auf einfache Weise dem Plasmabogen mehr Energie zugeführt werden kann, ohne TJeberbelastung oder-Beschädigung der nicht-abschmelzenden Elektrode und ohne Verringerung der Stabilität des Plasmabogens.

Dies wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass dem Plasmabogen Stromabwärts von der nicht-abschmelzenden Elektrode über eine ringförmige Hilfselektrode zusätzlicher Strom zugeführt wird ·

Durch diese Massnahme wird auf sehr einfache Weise die Stromstärke im Bogenplasma erhöht; der zusätzliche Strom führt bei gleicher Penetration zu einer breiteren Schweissnaht und zu einem besseren Fluss als ohne Zufuhr eines zusätzlichen Stromes«

509841/06 7 8

PHN.7468.

Durch die ringförmige Ausbildung der Hilfselektrode wird eine Beeinträchtigung der Stabilität des Plasmabogens vermieden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der zusätzliche Strom über die als Hilfselektrode wirksame Düse zugeführt. Dadurch ist es möglich, das Verfahren mit einem an sich bekannten Schweissbrenner durchzuführen ohne die Notwendigkeit, den Schweissbrenner mit einer zusätzlichen Hilfselektrode zu versehen.

Wenn jedoch die Düse nicht als Hilfselektrode verwendet werden kann, beispielsweise weil sie bereits eine andere Aufgabe erfüllt, wird bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens der zusätzliche Strom über eine Hilfselektrode zugeführt, die zwischen der Düse und dem Werkstück angeordnet ist.

Durch diese Massnahme wird die Möglichkeit geboten, auf eine andere vorteilhafte Weise die Düse bei einer letzten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zu verwenden, wobei der Plasmabogen zwischen der als nicht-abschmelzende Elektrode wirksamen Düse und dem Werkstück unterhalten wird.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens} dazu wird

5098^1/0678

PHN.7^68.

eine aus der bereits erwähnten britischen Patentschrift 1 276 110 an sich bekannte Vorrichtung mit einem Schweissbrenner verwendet, der ein Gehäuse enthält, das mit einer Düse mit einer Plasmaöffnung, einer nicht-abschmelzenden Elektrode, mit Mitteln zum Zuführen eines Gases und mit einem Kontaktrohr zum Zuführen eines Schweissdrahtes durch die Plasmaöffnung versehen ist, welche Vorrichtung weiter eine erste und eine zweite Stromquelle enthält, die unabhängig voneinander regelbar sind, wobei die nicht-abschmelzende Elektrode an die erste Stromquelle angeschlossen ist, während das Kontaktrohr an die zweite Stromquelle angeschlossen ist; diese erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch eine ringförmige Hilfselektrode gekennzeichnet, die stromabwärts von der nicht-abschmelzenden Elektrode angeordnet und an eine von der zweiten Stromquelle unabhängige Stromquelle angeschlossen ist und dieselbe Polarität hat wie das Kontaktrohr und die nicht-abschmelzende Elektrode.

Dabei ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung die Hilfselektrode an eine von der ersten und der zweiten Stromquelle unabhängige dritte Stromquelle angeschlossen. Dadurch ist es möglich, das Potential der Hilfselektrode und den dem Bogenplasma zugeführten zusätzlichen Strom

5098A1/06 78

PHN.7^68.

unabhängig von den Stromparametern des Plasmabogens und desr MIG-Bogens zu regeln und an andere Schweisspararaeter, wie beispielsweise Plasmagasmenge, Art des Schutzgases, Durchmesser der Düse anzupassen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Hilfselektrode über einen Widerstand an die erste Stromquelle angeschlossen. Durch diese Massnahme wird unter Berücksichtigung der richtigen Polarität eine sehr einfache und preisgünstige Konstruktion erhalten.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die nicht-abschmelzende Elektrode auf an sich bekannte Weise im Gehäuse angeordnet} diese Vorrichtung weist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Düse als Hilfselektrode ausgebildet und mit Mitteln zum Anschluss an eine Stromquelle versehen ist.

Durch diese Massnahme können bestehende Schweissbreimer und Vorrichtungen auf sehr einfache Weise zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens angepasst werden; die Düse, die normalerweise gegenüber der nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Kontaktrohr elektrisch isoliert ist, braucht nur an eine Stromquelle angeschlossen zu werden, die von der zweiten Stromquelle unabhängig ist, dies alles unter Berücksichti gung der richtigen Polarität.

509841/Ό678

PHN.7468.

Dadurch, dass bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung die. ringförmige Hilfselektrode stromabwärts von der Düse an dem Gehäuse angeordnet ist, ist die Düse für andere Punktionen verfügbar; so kann beispielsweise die Düse als Elektrode des in diesem Fall nicht tihertragenen MIG-Bogens fungieren.

Bei einer letzten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist jedoch die Düse als nicht-abschmelzende Elektrode ausgebildet und an die erste Stromquelle angeschlossen. Durch diese Massnahme fällt eine besondere im Gehäuse angeordnete Elektrode fort, so dass eine gedrängte Schweissbrennerkonstruktion mit verhältnismässig kleinen Querabmessungen möglich ist.

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

Fig. 1 eine praktische Ausführuiigsform einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 enthält einen Schweissbrenner 2 mit einem Gehäuse 3» das

509841/0678

PHN.7^68.

mit einer Düse 5 rait einer Plasmaöffnung 7 versehen ist. Im Gehäuse 3 ist ein Elektrodenhalter 8 mit einer nichtabschmelzenden Elektrode 91 beispielsweise aus Wolfram, gegenüber der Plasmaöffnung 7 exzentrisch angeordnet. Ein Schweissdraht 11 wird mittels eines Kontaktrohres durch die Plasmaöffnung 7 geführt. Der Elektrodenhalter und das Kontaktrohr 13 sind in einer Kappe 12 aus isolierendem Material befestigt, wodurch das Gehäuse, das Kontaktrohr und die nicht-abschmelzende Elektrode gegeneinander elektrisch isoliert sind. An der Innenwand des Gehäuses ist ein isolierender Belag "ih angeordnet.

Der Vorschub des Schweissdrahtes 11 erfolgt mittels Transportrollen 15* die mit regelbarer Geschwindigkeit von einem Motor 17 angetrieben werden. Der Schweissbrenner 2 ist weiter mit einer Zuführungsleitung 19 zum Zuführen eines Plasmagases A, beispielsweise Argon, versehen. Anschlüsse 21 und ein Schirm 20 dienen zum Zuführen eines Schutzgases S, beispielsweise eines Gemisches aus Argon und Kohlensäuregas. Das Gehäuse 3» der Elektrodenhalter 8 und das Kontaktrohr sind mit Ktihlkanälen versehen, von denen nur der Kühlkanal 22 des Gehäuses 3 in der Zeichnung dargestellt ist. Die Kühlkanäle sind mit Anschlüssen 23' und 23", 25' und 25% 27« und 27" zum Zuführen und Abführen von Kühlwasser W verbunden. Die nicht-abschmelzende Elektrode

509841 /0678

PHN.7^68.

10.2.75.

1st mittels eines Anschlusskontaktes 28 auf dem Elektrodenhalter 8 an einen der Pole einer Stromquelle über einen HF-Generator 31 angeschlossen. Der Schweissdraht 11 ist mittels eines Anschlusskontaktes 32 auf dem Kontaktrohr 13 an einen der Pole einer zweiten Stromquelle 33 angeschlossen. Ein Werkstück 35 ist mit dem anderen Pol der beiden Stromquellen 29 und 33 verbunden.

Nach der Erfindung ist die Düse 5 als Hilfselektrode ausgebildet und an einen der Pole einer dritten Stromquelle 37 über einen Anschlusskontakt auf dem Gehäuse 3 angeschlossen. Der andere Pol der Stromquelle 37 ist mit dem Werkstück 35 verbunden. Die Wolframelektrode 9* das Kontaktrohr 13 und die Düse 5 haben dieselbe Polarität.

Zum Schweissen mit der obenstehend beschriebenen Vorrichtung werden die Elektrode 9, das Kontaktrohr 13, die Düse 5 und das Werkstück 35 auf die beschriebene Art und W:else an die Stromquellen 29, 33 und 37 angeschlossen. Durch die Zuführungsleitung 19 wird ein Plasmagas A zugeführt. Ein Schutzgas S wird über die Anschlüsse 21 zugeführt. Mittels der Stromquelle 29 und des HP-Generators 31 wird im Plasmagasstrom ein Plasmabogen gezündet und zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück 35 unterhalten. Mittels der Vorschub-

509841/0678

PHN.7^68.

rollen 15 wird der Sehweissdraht 11 zugeführt, durch das Kontaktrohr 13 und durch die Plasmaöffnung 7 geführt; zwischen dem Sehweissdraht 11 und dem Werkstück 35 wird ein MIG-Bogen gezündet und mittels der Stromquelle 33 unterhalten. Der Schweissdraht 11 wird im Bogenplasma, das vom Plasmabogen erzeugt wird, zum Schmelzen gebracht.

Die maximale Stromstärke des Plasmabogens wird durch die zulässige Belastung der Wolframelektrode beschränkt. Damit trotzdem das Schweissen mit höheren Stromstärken ermöglicht wird, ohne eine Ueberbelastung der Wolframelektrode 9 und ohne die Stabilität des Plasmabogens zu stören, wird dem bereits vorhandenen Bogenplasma zusätzlicher Strom zugeführt, der von der Stromquelle 37 über den Anschlusskontakt 39» das Gehäuse und die Düse 5 auf das Bogenplasma übertragen wird.

Mit einer in der Praxis bewährten Ausbildung der Vorrichtung kann auf diese Weise ohne weitere Schwierigkeiten dem Plasmabogen ein zusätzlicher Strom über 300 A zugeführt werden. Bei einer konstanten Stromstärke im Schweissdraht von 200 A wurde durch eine Erhöhung der Stromstärke im Bogenplasma von 2OA auf 350 A die Breite der Schweisstelle verdoppelt und der Fluss bei praktisch gleichbleibender Penetration verbessert«

509841/0678

10.2.75. - 10 -

Fig. 2 zeigt eine andere Ausbildung der erfindungsgemassen Vorrichtung, wobei entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen angegeben sind wie in Fig. 1, Diese Vorrichtung 51 weist einen Schweissbrenner 53 auf, dessen Düse 5 als nicht-abschmelzende Elektrode für den Plasmabogen wirksam ist. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 1 fällt dadurch die gesonderte im Gehäuse angeordnete Stabelektrode fort. Die Düse 5 ist über einen Anschlusskontakt 55 auf dem Gehäuse 3 mit der Stromquelle 29 verbunden. In diesem Fall erfolgt die zusätzliche Stromzufuhr über eine ringförmige Hilfselektrode 57. Die Hilfselektrode ist auf einer Hülse 59 angeordnet, die mit Hilfe einer Ringmutter 61 auf dem Gehäuse 3 befestigt ist. Die Hülse 59 niit der Hilfselektrode 57 ist gegenüber dem Gehäuse 3 mittels eines ringförmigen Isoliereleraentes isoliert. Die Hülse 59 ist doppelwandig ausgebildet und mit Kühlkanälen 65 sowie mit Anschlüssen. 67* und 67" zum Zuführen bzw. Abführen von Kühlwasser ¥ versehen. Ein Schutzgas S kann über die Anschlüsse 69 zugeführt werden.

Zum Zuführen eineö zusätzlichen Stromes könnte die Hilfselektrode 57 entsprechend der AusfUhrungsform nach Fig. 1 an eine dritte Stromquelle angeschlossen werden, die von den beiden Stromquellen 29 und 33 unab-

509841/0678

PHN.7^68.

- 11 -

hängig ist. Dadurch, dass jedoch bei der betreffenden Vorrichtung die Hilfselektrode mittels eines Anschlusskontaktes 71 auf der Hülse 59 an die Stromquelle 29 und zwar über einen Widerstand 73 angeschlossen ist, ist eine gesonderte dritte Stromquelle nicht erforderlich, so dass eine einfachere und preisgünstigere Ausbildung der Vorrichtung möglich ist. Ebenso wie bei der Aus— führungsform nach Fig. 1 muss auch bei dieser Vorrichtung die richtige Polarität berücksichtigt werden, d.h., die Düse 5, das Kontaktrohr 13 sowie die Hilfselektrode müssen dieselbe Polarität haben»

Auf ähnliche Weise könnte bei der Vorrichtung nach Fig. 1 die als Hilfselektrode wirksame Düse über einen Widerstand an die Stromquelle 29 angeschlossen werden.

Die als Elektrode wirksame Düse sowie die ringförmige Hilfselektrode können entweder aus Wolfram oder aus wassergekühltem Kupfer bestehen. Die Lebensdauer einer Kupferelektrode lässt sich dadurch erhöhen, dass die Elektrode mit Einsätzen aus hochschmelzendem Metall» beispielsweise Wolfram, versehen wird.

Es kann mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom, mit positiver sowie neagtiver Polarität geschweisst werden, wenn der Schweissdraht und die beiden Elektroden, die Wolframelektrode und die Düse bzw. die Düse und

509841 /0678

PHN.7468.

10.2.75.
- 12 -

die Hilfselektrode nur dieselbe Polarität haben.

Bei den beschriebenen AusfUhrungsbeispielen
wird zwischen dem Schweissdraht und dem Werkstück ein übertragener MIG-Bogen unterhalten. Die erfindungsgemässen Massnahraen können jedoch auch auf ebenso vorteilhafte Weise bei Verfahren und Vorrichtungen angewandt werden, bei denen ein nicht übertragener MIG-Bogen
zwischen dem Schweissdraht und einer Hilfselektrode
anders als dem Werkstück unterhalten wird. Dazu könnte beispielsweise der Schweissbrenner der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung mit einer ringförmigen Hilfselektrode versehen werden, wobei der Plasmabogen zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück unterhalten
wird, wahrend der MIG-Bogen zwischen dem Schweissdraht und der Hilfselektrode unterhalten wird und wobei die zusätzliche Stromzufuhr über die Düse erfolgt.

509841 /0678

Claims

PHN.7^68. 10.2.75. - 13 -

JEAT]

PATENTANSPRUECHE:

1.J Verfahren zum Plasma-MIG-Schveissen, wobei eine abschmelzende Elektrode durch eine Düse geführt und ein MIG-Bogen in einem Plasmabogen unterhalten wird, der dadurch erzeugt wird, dass in einem Gasstrom zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein Plasmabogen unterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasmabogen stromabwärts von der nicht-abschmelzenden Elektrode (9) über eine ringförmige Hilfselektrode (57) zusätzlicher Strom zugeführt wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Strom über die als Hilfselektrode wirksame Düse (5) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Strom über eine Hilfselektrode (5.7) zugeführt wird, die zwischen der Düse (5) und dem Werkstück (35) angeordnet ist.

k. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabogen zwischen der als nicht-abschmelzende Elektrode wirksamen Düse und dem Werkstück unterhalten wird.

5· Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Schweissbrenner, der ein Gehäuse enthält, das mit einer Düse

509841 /0678

PHN.7^68.

10.2.75. - 14 -

mit einer Plasmaöffnung, einer nicht-ab schmelz end en Elektrode, mit Mitteln zum Zuführen eines Gases und mit einem Kontaktrohr zum Zuführen eines Schweissdrahtes durch die Plasmaöffnung versehen ist, welche Vorrichtung weiter eine erste und eine zweite Stromquelle enthält, die unabhängig voneinander regelbar sind, w.obei die nicht abschmelzende Elektrode an die erste Stromquelle angeschlossen ist, während das Kontaktrohr an die zweite Stromquelle angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine ringförmige Hilfselektrode (57) die stromabwärts von der nicht-abschmelzenden Elektrode angeordnet und an eine von der zweiten Stromquelle unabhängige Stromquelle angeschlossen ist und dieselbe Polarität hat wie die nicht-abschmelzende Elektrode und das Kontaktrohr.

6 * Vorrichtung nach Anspruch 51 dadurfah gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode an eine von der ersten und der zweiten Stromquelle unabhängige dritte Stromquelle angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode über einen Widerstand an die erste Stromquelle angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5» 6 oder 7, wobei die nicht abschmelzende Elektrode in dem Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse als

509841/0678

PHN.7^68. 10.2.75. - 15 -

Hilfselektrode ausgebildet und mit Mitteln zum Anschluss an eine Stromquelle versehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch. 5» 6 oder 7» dadurch, gekennzeichnet, dass die ringförmige Hilfselektrode stromabwärts von der Düse am Gehäuse angeordnet ist.

10. -Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass die Düse als nicht-abschmelzende Elektrode ausgebildet und an die erste Stromquelle angeschlossen ist.

509841/0678