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Kennwort: Mikroplasmazündung Verfahren und Vorrichtung zum Plasmaschweißen,
insbesondere Mikroplasmaschweißen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen, insbesondere Mikroplasmaschweißen mit
einem übertragenen Plasmaschweißlichtbogen, bei dem zwischen einer Brennerelektrode
und einer Brennerdüse aufgrund einer ersten elektrischen Energie ein Pilotlichtbogen
aufrechterhalten wird und bei dem ferner zwischen Brennerelektrode und Werkstück
ein Plasmaschweißgas zugeführt wird, welches durch den Pilotlichtbogen ionisiert
wird und danach durch Anlegen einer zweiten elektrischen Energie zwischen Brennerelektrode
und Werkstück art durch Annäherung der Brennerelektrode zum Werkstück der Plasmaschweißlichtbogen
gezündet und aufrechterhalten wird.
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Das Mikroplasmaschweißverfahren wird insbesondere zum Verbindungs
schweißen von ca. 0,05 bis 1,0 mm dicken Blechen, Folien, Drähten, Sieben aus hochlegierten
Stählen, Kupfer, Chrom-Nickel, Titan, Reinnickel und deren Legierungen angewandt,
wobei ein Plasmaschweißlichtetwa bogen mit einer Stromstärke im Bereich zwischen
0,1 und 20 A, bei einer Plasmaschweißgasmenge von etwa 0,1 bis 1 1/min, insbesondere
0,2 bis 0,4 1/min sowie einem, den Plasmaschweißlichtbogen umgebenden Schutzgasstrom-von
ca. 1 bis 8 1/min und einem kontinuierlich brennenden Pilotlichtbogen mit einer
Stromstärke von ca. 2,0 bis 2,5 A aufrechterhalten wird. Dabei erfolgt bisher die
Zündung dieses Plasmaschweißlichtbogens dadurch, daß die Düsenöffnung des Mikroplasmabrenners,
aus welcher das durch den Pilotlichtbogen ionisierte Plasmagas ausströmt, derart
nahe an die Werkstückoberfläche (Schweißstelle
) gebracht wird,
daß durch das ionisierte Plasmagas die elektrische Strecke zwischen der Brennerelektrode
und dem Werkstück, welche beide an dem Plus- bzw. Minuspol einer Stromquelle angeschlossen
sind, überbrückt, dadurch der Stromkreis Elektrode-Stromquelle-Werkstück-Elektrode
geschlossen und der Plasmaschweißlichtbogen gezündet wird. Die Praxis hat gezeigt,
daß zur Zündung des Plasmaschweißlichtbogens die Düsenöffnung sehr dicht (kleiner
als 2 mm) an die Schweiß stelle angenähert werden muß und trotzdem eine 100 Zündsicherheit
nicht immer gewährleistet ist.
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Nach der Zündung des Plasmalichtbogens wird dann der Brenner auf den
üblichen Schweißabstand (ca. 5 mm) vom Werkstück wegbewegt.
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Hinzu kommt, daß insbesondere beim Mikroplasmaschweißen von Werkstücken
aus hochlegiertem Stahl im Dickenbereich einiger Zehntelmillimeter (0,5 mm), die
Plasmaschweißgasmenge auf Werte im Bereich von 0,2 1/min und darunter eingestellt
werden muß, damit der Plasmaschweißlichtbogen keine Schneideigenschaften aufweist,
welche in Form von nachteiligen Einbrandkerben am Rand der Schweißnaht sichtbar
werden.
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Bei diesen geringen Plasmaschweißgasmengen ist die Zündung des Plasmabogens
noch schwieriger. Der Erfinder hat erkannt, daß diese Zündschwierigkeiten insbesondere
daraufzurückzuführen sind, daß der Anteil des aus dem Brenner ausströmenden ionisierten
Gases zu gering ist.
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Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art und der genannten
Erkenntnis ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Zündschwierigkeiten beim
Plasmaschweißen, insbesondere Mikroplasmaschweißen zu vermeiden und insbesondere
ein Verfahren zu schaffen, bei dem auch bei kleinen Plasmaschweißgasmengen eine
gute Zündsicherheit erreichbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur
Zündung des Plasmaschweißlichtbogens die Plasmaschweißgasmenge und/ oder die Größe
der ersten elektrischen Energie (Pilotlichtbogenenergie
) gegenüber
dem zum Schweißen erforderlichen Einstelldaten kurzzeitig vergrößert wird. Dabei
hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn die Plasmaschweißgasmenge
und/oder die Größe der Pilotlichtbogenenergie, insbesondere des Pilotlichtbogenstromes,
um den Faktor 1,3 bis 3,0 vorzugsweise um den Faktor 2,0 vergrößert wird.
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Durch die Erfindung wird vorteilhaft erreicht, daß nicht nur ein ionisierter
Gasstrom aus der Brennerdüse austritt, sondern daß zusätzlich ein Teil des Pilotlichtbogens
aus der Brennerdüse in Richtung des Werkstückes gedrückt wird. Dieser Effekt wird
einerseits durch die kinetische Energie der kurzzeitig vergrößerten Plasmagasmenge
sowie andererseits durch die Erhöhung des Pilotlichtbogenstromes und des damit verbundenen
erhöhten Elektronenaustrittes erreicht. Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft möglich,
entweder die Gasmenge oder den Pilotlichtbogenstrom zu erhöhen.
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Dabei ist es besonders günstig, wenn die Erhöhung impulsartig erfolgt.
Besonders optimale Zündergebnisse könnten festgestellt werden, als beide Größen
(Gas und Strom) gleichzeitig impulsartig vergrössert wurden.
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Durch die erfindungsgemäße Lehre werden optimale Zündergebnisse (100%
Zündsicherheit) auch dann erreicht, wenn die Plasmagasmenge zum Schweisen einen
Wert im Bereich von etwa 0,2 1/min bis 0,15 1/min aufweist, und die Entfernung der
Düsenaustrittsöffnung von der Werkstückoberfläche im Bereich von 3 bis 6 mm liegt.
Somit wird durch die Erfindung ein berührungsloses Zünden des Plasmaschweißlichtbogens
bei einem größeren Abstand zwischen Düse und Werkstück als bisher möglich, was insbesondere
beim Schweißen von dünnen Werkstücken von Vorteil ist.
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Durch den möglich gewordenen größeren Zündabstand wird auch der Anwendungsbereich
die Mikroplasmaschweißens für die Mikroplasmahandschweißung erweitert. Die erfindungsgemäße
Gas bzw. Stromerhöhung erfolgt zum Zünden des Plasmaschweißlichtbogens,
Sobald
diese Zündung#erfolgt ist, werden Gas und Strom sofort auf die "kleineren Schweißwerte"
wieder abgesenkt. Dadurch werden Schneidwirkungen des Plasmaschweißlichtbogens vorteilhaft
vermieden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung
vorgeschlagen, die eine erste Stromquelle zur Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises
aufweist, deren Minuspol über eine Leitung mit der Brennerelektrode und der Pluspol
über eine Düsenleitung mit der Brennerdüse verbunden ist und einer zweiten Stromquelle
zur Versorgung des Hauptlichtbogenstromkreises, deren Minuspol über eine Leitung
mit der Brennerelektrode und deren Pluspol über eine Werkstückleitung mit dem Werkstück
in Verbindung steht und mit einer Plasmaschweißgasquelle, die über eine Gasleitung
mit dem Brenner verbunden ist. Diese Vorrichtung weist in vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung im Pilotlichtbogenstromkreis zu- bzw. abschaltbare Wi-Widerstände
und/oder in der Gasleitung zu-bzw. abschaltbare Ventile auf.
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In der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles einer
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Erfindung
unter Hinweis auf weitere vorteilhafte Merkmale und unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert.
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In der Zeichnung ist ein Plasmaschweißbrenner schematisch dargestellt
und mit 10 bezeichnet. Der Brenner 10 weist einen Brennerkörper 11 auf, in dem ein
Kühlmittelkanal 12 sowie eine Brennerdüse (Plasmabogeneinschnürdüse) 13 angeordnet#ist.
In einer zentralen Bohrung 14- welche zur Führung des Plasmaschweißgases dient,
ist mittels eines Zentrierstückes 15 eine Brennerelektrode 16 gehalten. Ferner sind
im Brennerkörper 11 Schutzgaskanäle 17 angeordnet.
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Eine erste Gleichstromquelle 18 dient zur Versorgung und Aufrechterhaltung
des während dem gesamten Schweißvorgang brennenden Pilotlichtbogens, welcher mit
19 bezeichnet ist. Hierzu ist der Minuspol 20 der Stromquelle 18 über eine Leitung
21 mit der Brennerelektrode 16 und der Pluspol 22 über eine Düsenleitung 23 mit
der Brennerdüse 13 verbunden.
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An die Leitung 21 sowie die Leitung 23 ist ein nicht näher dargestelltes
Zündgerät 24, zur Zündung des Pilotlichtbogens 19, angeschlossen.
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Gleich-Gleich-Die zweite Stromquelle 25 dient zur Versorgung und
Aufrechterhaltung des mit 26 bezeichneten Plasmaschweißlichtbogens, wobei der Minuspol
27 dieser Stromquelle über eine Leitung 28 mit der Brennerelektrode 16 und der Pluspol
29 über eine Werkstückleitung 30 mit dem Werkstück 31 in Verbindung steht.
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Erfindungsgemäß ist in der Düsenleitun~ 23 ein Widerstand 32 zur auf
Begrenzung des Pilotlichtbogenstromes ca. 2 - 2,5 A vorgesehen, dem ein Parallelzweig
33 bestehend aus einem Widerstand 34 und einem Kontakt 35 zugeordnet ist. Bevorzugt
sind die Widerstände 32 und 34 gleich groß dimensioniert, so daß bei einer Parallelschaltung
dieser Widerstände der doppelte Pilotlichtbogenstrom im Pilotlichtbogenstrom kreis
36 fließt.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist die Bohrung 14 mit
einer Gasleitung 37 verbunden, in welcher eine zur Einstellung der zum Schweißen
erforderlichen Plasmagasmenge dienende Ventilanordnung 38 angeordnet ist. Die Ventilanordnung
38 besteht dabei bevorzugt aus einem Gasmengeneinsteller (Rodameter) 39 und einem
Magnetabsperrventil 40. Die Gasleitung 37 ist an eine Gasflasche 41 mit beispielsweise
Argon, Helium oder dergleichen, angeschlossen.
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Ferner mündet in die Gasleitung 37 zwischen Gasmengeneinsteller 39
und Brenner lo eine Zusatzgaszuführung 42, in welcher eine zur Einstellung der zusätzlichen
Gasmenge beim Zünden des Plasmalichtbogens dienende zweite Ventilanordnung 43, bestehend
aus einem Gasmengen einsteller (Rodameter) 44 und einem Magnetabsperrventil 45 vorgesehen
ist.
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Die Schutzgaskanäle 17 sind über eine Schutzgasleitung 46, in welcher
ein Magnetabsperrventil 47 und ein Gasmengeneinsteller 48 vorgesehen ist, mit einer
Söhutzgasquelle 49 (Argon, Helium oder andere bekannte und geeignete Gasgemische)
verbunden.
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Die oben genannten Magnetventile (40, 45, 47) und der Kontakt 35 werden
durch eine besonders vorteilhafte Relaissteuerung 5 geöffnet bzw.
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geschlossen und dabei das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt,
wie
auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Funktionsweise der veranschaulichten
Schweißeinrichtung mit der Steuerung 50 hervorgeht.
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Zunächst wird an den Gasmengeneinstellern 39, 44, 48 die Jeweiligen
Gasmengen eingestellt und zwar beispielsweise: Gasmengeneinsteller 39 - Plasmaschweißgas
0,2 1/min Argon, Gasmengeneinsteller 44 - Zusatzgasimpuls 0,1 1/min Argon, Gasmengeneinsteller
48 - Schutzgas 4 1/min Helium.
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Ferner wird an der zweiten Stromquelle 25 der Schweißstrom auf 0,8
A Gleichstrom und an der ersten Stromquelle 18 der Pilotlichtbogenstrom (Widerstand
32) auf 2,0 A eingestellt, wobei wie oben erwähnt, die Widerstände 32 und 34 den
gleichen Wert aufweisen.
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Zum Starten der Einrichtung wird der Einschalter 51 betätigt und dadurch
die beiden Stromquellen 18 und 25 sowie die Steuerung 50 mit einem Versorgungsnetz
52 verbunden. In diesem Zusammenhang wird bereits Jetzt darauf hingewiesen, daß
die beiden Stromquellen 18, 25 sowie Steuerung 50 selbstverständlich in einem gemeinsamen
Gehäuse vorgesehen sind und nur aus Gründen der Über sicht getrennt in der Zeichnung
dargestellt wurden.
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Mit der Betätigung des Schalters 51 wird über den Transformator 53
die Magnetspule 54 erregt und das dazugehörige Gasventil 40 geöffnet, so daß die
eingestellte Plasmagasmenge (0,2 1/min) der Bohrung 14 zugeführt wird. Durch Betätigung
des Starters 55 wird nunmehr durch das Zündgerät 24 der Pilotlichtbogen 19 gezündet,
welcher durch die Stromquelle 18 bei einem Strom von 2,0 A aufrechterhalten wird.
Der Pilotlichtbogen 19 ionisiert zum überwiegenden Teil das aus der Düse 13 ~ausströmend1e
Schweißgas.
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Soll nun eine Schweißung durchgeführt werden, so wird der Brenner
10 über die Schweißstelle bewegt (von Hand oder mittels einer Vorrichtung) und ein
beispielsweise am Brennerhandgriff vorgesehener Taster 56 betätigt,
wodurch
das Relais 57 anzieht. Das Relais 57 schließt den Kontakt 58, so daß die Magnetspule
59 erregt, das Ventil 47 geöffnet und Schutzgas (2 1/min) dem Schweißbereich zugeführt
wird.
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Gleichzeitig wird das Relais 60 über den in Ruhestellung geschlosse-Der
nen Kontakt 61 erregt und die Kontakte 35 und 62 geschlossen. Kontakt 35 bewirkt
eine Parallelschaltung der Widerstände 32 und 34 Der und damit eine Erhöhung des
Pilotlichtbogenstromes auf 4 A. Kontakt 62 erregt die Magnetspule 63, wodurch das
Zusatzgasventil 5 geöffnet wird und der Düse 13 nunmehr eine Gasmenge von 0,3 1/min
zugeführt wird.
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Die kurzzeitige Erhöhung von Pilotstrom und Plasmagas bewirkt bei
einem Abstand 64 der Düse 13 von dem Werkstück 31 von ca. 5 mm ein Zünden des Plasmaschweißliohtbogens
26&#Mit der Zündung wird das Relais 65 erregt, der Kontakt 65 geschlossen und
der Kontakt 61 geöffnet. Dadurch bleibt wohl die ltagnetspule 59 erregt und das
Schutzgasventil 47 offen, das Relais 60 fällt Jedoch ab, wobei die Kontakte 35 und
62 wieder geöffnet werden und eine Reduzierung der Plasmagasmenge sowie des Pilotlichtbogenstromes
auf die zum Schweißen erforderlichen optimalen Werte erfolgt. Der Taster 56 bleibt
bevorzugt während des Schweißens geschlossen.
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Am Ende einer Schweißung kann mittels der Stromquelle 25 der Schweißstrom
beispielsweise kontinuierlich abgesenkt werden. Das Relais 65 ist gemäß der Erfindung
vorzugsweise so ausgelegt, daß es bei einem Plasmaschweißbogenstrom von 100 mA abfällt,
so daß der Kontakt 61 kurz vor Beendigung der Schweißung wieder geschlossen ist,
und durch Erregung des Relais 60 die Plasmagasmenge kurzzeitig wieder erhöht wird,
wodurch ein Oxidieren der Elektrode 16 vorteilhaft vermieden wird.
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Dabei kann - falls erwünscht - durch entsprechende Schaltung in der
Steuerung selbstverständlich eine Erhöhung des Pilotlichtbogenstromes ausgeschaltet
werden.
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Aus dem obigen Ausführungsbeispiel ergibt sich, daß zum Zünden des
Plasmaschweißlichtbogens das Plasmaschweißgas und der Pilotlichtbogenstrom kurzzeitig
und impulsartig (ca. 0,1 sec) erhöht werden. Selbstverständlich
ist
es auch möglich und liegt im Rahmen der Erfindung 01 wenn nur das Gas oder nur der
Pilotstrom kurzzeitig erhöht wird.
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Bevorzugt ist die Erfindung beim Mikroplasmaschweißen unwendbar, eine
Übertragung der Erfindung auf andere Plasmaverfahren ist aber ebenfalls vorteilhaft
möglich. Ferner sind andere Ausführungsformen der Steuerung 50, insbesondere auf
elektronischer Basis mit entsprechenden Bauelementen und integrierten Schaltkreisen
möglich.