DE2524493C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Mikroplasmaschweißen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung zum 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 sowie durch Annäherung der Brennerelektrode zum Werkstück der Plasmaschweißlichtbogen gezündet und aufrechterhalten wird.

Das Mikroplasmaschweißverfahren wird insbesondere zum Verbindungsschweißen von ca. 0,05 bis 1,0 mm dicken Blechen, Folien, Drähien, Sieben aus hochlegierten Stählen, Kupfer, Chrom-Nickel, Titan, Reinnickel und deren Legierungen angewandt, wobei ein Piasmaschweißlichtbogen mit einer Stromstärke im Bereich zwischen etwa 0,1 und 20 A, bei einer Plasmaschweißgasmenge von etwa 0,1 bis 1 l/min, insbesondere 0.2 bis 0,4 l/min sowie einem den Plasmaschweißlichtbogen umgebenden Schutzgasstrom von ca. 1 bis 8 l/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 zunächst (wie in der DE-OS 18 07 960 vorgeschlagen) mittels eines Hochfrequenz-Zündgeräies ein Pilotlichtbogen gezündet und dann die Düsenöffnung des Mikroplasmabrenners, aus welcher das durch den Pilotlichibogen 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. Nach der Zündung des Plasmalichtbogens wird dann der Brenner auf den üblichen Schweißabstand (ca. 5 mm) vom Werkstück weg bewegt. Die Praxis hat gezeigt, daß zur Zündung des Plasmaschweißlichtbogens die Düsenöffnung sehr dicht (kleiner als 2 mm) an die Schweißstelle angenähert werden muß und trotzdem eine 100% Zündsicherheit nicht immer gewährleistet ist.

Darüber hinaus isl es aus der DE-OS 22 31975 bekannt, beim Schweißen von Metallen unter Wasser einen stabilen Plasmalichtbogen dadurch zu erzeugen, indem zur Zeit des Schv. cißbeginns die Plasmagasmenge vergrößert wird.

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 l/min und darunter eingestellt werden muß, damit der Plasmaschweißlichtbogen keine Schneideigenschaften aufweist, welche in Form von nachteiligen Einbrandkerben am Rand der Schweißnaht sichtbar werden.

Bei diesen geringen Plasmaschweißgasmengen ist die Zündung des Plasmabogens noch schwieriger. Der Erfinder hat erkannt, daß diese Zündschwierigkeiten insbesondere darauf zurückzuführen sind, daß der Anteil des aus dem Brenner ausströmenden ionisierten Gases zu gering ist.

Ausgehend vor. einem Verfahren der eingangs genannten Art und der genannten Erkenntnis ist es

Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zündsetiwjerigkeiten beim Mlkroplasmaschweißen zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zu schaffen, bei dem auch bei kleinen Plasmaschweißgasmengen eine gute Zündsicherheit erreichbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Zündung des Plasmaschweißlichtbogens in an sich bekannter Weise die Plasmaschweißgasmenge und daß ferner die Größe der ersten elektischen Energie (Pilotlichtbogenenergie) gegenüber den zum Schweißen erforderlichen Einstelldaten kurzzeitig vergrößert wird. Dabei hat es sich ais besonders günstig herausgestelli, wenn die Plasmaschweißgasmenge und/oder die Größe der Pilotlichtbogenenergie, insbesondere des Pilotlichibogenstromes, um den Faktor 1,3 bis 3,0, vorzugsweise um den Faktor 2,0, vergrößert wird.

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 P'asma· menge 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 Piioiliehtbogenstrom zu erhöhen. Dabei ist es besonders günstig, wenn die Erhöhung impulsartig erfoigt. Besonders optimale Zündergebnisse konnten festgestellt werden, als beide Größen (Gas und Strom) gleichzeitig impulsartig vergrößert wurden.

Durch die erfindungsgemäße Lehre werden optimale Zündergebnisse (100% Zündsicherheit) auch dann erreicht, wenn die Plasmamenge zum Schweißen einen Wert im Bereich von etwa 0,2 l/min bis 0,15 !/min aufweist und die Entfernung der Diisenaustrittsöffnung 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. Durch den möglich gewordenen größeren Zündabstand wird auch der Anwendungsbereich des Mikroplasmaschweißens für die Mikroplasmahandschweißung erweitert. Die erfindungsgemäße Gas- bzw. itromerhöhung 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.

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 Plasmaschweißgasquel-Ic, die über eine Gasleitung mit dem Brenner verbunden ist. Diese Vorrichtung weist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung im pilotlichtbogenstromkreis in an sich bekannter Weise zu- bzw. abschaltbare Widerstände und in der Gasleitung in an sich bekannter Weise zu- bzw, abschaltbare Ventile auf-

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.

In der Zeichnung 1st ein Plasmaschweißbrenner schematisch dargestellt und mit 10 bezeichnet. Der Brenner 10 weist einen Brennerkörper 11 auf, in dem ein

in 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 Brennerelektrooe 16 gehalten. Ferner sind im Brennerkörper 11 Schutzgaskanäie 17 angeordnei.

Eine erste Gleichstromquelle 18 dient zur Versorgung und Aufrechterhaltiing des während dem gesamten Schweißvorgang brennender, Pilotlichtbogens, welcher mit 19 bezeichnet ist. Hierzu ist tier Minuspol 20 de^r Stromquelle 18 über eine Leitung 21 mit der Brennv-TClektrode !6 und der Pluspol 22 über eine DiUonieiiung 23 mit Jc; Brennerdüse Ij verbunden. Ar. die Leitung 2i sowie die Leitung 23 ist ein mehl näher dargestelltes Zündgera'. 24 zur Zündung des Piloilichtboget'is 19 angeschlossen.

Die zweite Gleichstromquelle 25 dient zur Versorgung und Aufrechterhaliung des mit 26 bezeichnet!.!: Plasmaschweißlichibogens. wobei der Minuspol 27 dieser Stromquelle über eine Leitung 28 mit der

ίο Brennerelektrode Ib und der Pluspol 29 über eine Werkstückleitung 30 mit dem Werkstück 31 in Verbindung steht.

Erfindungsgemäß ist in der Düsenleitung 23 ein Widerstand 32 zur Begrenzung des Pilotlichtbogenstro-

is mes auf 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 Pilotlichtbogenstromkreis 36 fließt.

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 besieht dabei bevorzugt aus einem Gasmengeneinsteller (Rodameter) 39 und einem Magnetabsperrventil 40. Die Gasleitung 37 ist an eine Gasflasche 41 mit beispielswei-

w se Argon, Helium od. dgl, angeschlossen.

Ferner mündet in die Gasleitung 37 zwischen Gasmengeneinsteller 39 und Brenner 10 eine Zusatzgasfuhrung 42, in welcher eine zur Einstellung der zusätzlichen Gasmenge beim Zünden des Plasmalichtbogtns uienende zweite Ventilanordnung 43, bestehend aus einem Gasmengeneinsteller (Rodameterl 44 und einem Magnetabsperrventil 45, vorgesehen ist

Die Schutzgaskanäle 17 sind über eine Schutzgasleitung 46, in welcher ein Magnetabsperrventil 47 und ein

H) Gasmengeneinsteller 48 vorgesehen ist, mit einer Schutzgasquelle 49 (Argon, Helium oder andere bekannte und geeignete Gasgemische) verbunden.

Die oben genannten Magnetventile SO, 45, 47 und der Kontakt 35 werden durch eine besonders vorteilhafte

h> Relaissteuerung 5 geöffnet bzw. geschlossen und dabei das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt, wie auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Funktionsweise der veranschaulichten Schweißeinrichtung

mit der Steuerung 50 hervorgeht.

Zunächst wird an den Gasmengeneinstellern 39, 44, 48 die jeweiligen Gasmengen eingestellt, und zwar beispielsweise: Gasmengeneinsteller 39 — Plasmaschweißgas 0,2 l/min Argon. Gasmengeneinsteller 44 — Zusatzgasimpuls 0.1 l/min Argon. Gasmengeneinsteller 48 — Schutzgas 4 l/min Helium.

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.

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 ocmi-insampn Cichäuse vorgesehen sind und nur aus Gründen der Übersicht getrennt in der Zeichnung dargestellt wurden.

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 l/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 ausströmende Schweißgas.

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 l/min) dem Schwcißbercich zugeführt wird. Gleichzeitig wird das Relais 60 über den in Ruhestellung geschlossenen Kontakt 61 erreg! und die Kontakte 35 und 62 geschlossen. Der Kontakt 35 bewirkt eine Parallelschaltung der Widerstände 32 und 34 und damit eine Erhöhung des Pilotlichtbogenstromes auf 4 A. Der Kontakt 62 erregt die Magnetspule 63. wodurch das Zusatzgasventil 45 geöffnet wird und der Düse 13 nunmehr eine Gasmenge von 03 l/min zugeführt wird.

*> 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 Piasmaschweißüchtbogens 26. Mit der Zündung wird das Relais 65 erregt, der Kontakt 66 geschlossen und der

to Kontakt 61 geöffnet. Dadurch bleibt wohl die Magnetspule 59 erregt und das Schiitzgasventil 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 hieibt bevorzugt während des Schweißens geschlossen.

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 100mA 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. Dabei kann — falls erwünscht — durch eine entsprechende Schaltung in der Steuerung selbstverständlich eine Erhöhung der Pilot lichtbogenstromes ausgeschaltet werden.

Aus dem obigen Ausführungsbeispiel ergibt sich, daß zum Zünden des Piasmaschweißüchtbogens das Plasmasi'hwcißgas und der Pilotlichtbogenstrom kurzzeitig und impulsartig (ca. 0.1 see) erhöht werden. Selbstverständ-

I) lieh ist es auch möglich und liegt im Rahmen der Erfindung, wenn nur das Gas oder π ir der Pilotstrom kurzzeitig erhöht wird. Bevorzugt ist die Erfindung beim Mikroplasmaschweißen anwendbar, eine Übertragung der Erfindung auf andere Plasmavcrfahrcn ist aber

ίο ebenfalls vorteilhaft möglich. Kerner sind andere Ausführungsformen der Steuerung 50, insbesondere auf elektronischer Basis mit entsprechenden Bauelementen und integrierten Schaltkreisen, möglich.

Hierzu 1 BIaIt Zeichnuncen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Mikroplasmaschwejßen 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 Piasmaschweißgas zugeführt wird, welches durch den Pilotlichtbogen ionisiert wird und danach durch Anlegen einer zweiten elektrischen Energie zwischen Brennerelektrode und Werkstück der Piasmasdiweißlichtbogen gezündet und aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des Plasmaschweißlichtbogens in an sich bekannter Weise die Plasmaschweißgasmenge und ferner die Größe der ersten elektrischen Energie gegenüber den zum Schweißen erforderlichen Einstelldaten kurzzeitig vergrößert wird. M

2. Verfahren ?ach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaschweißgasmenge und/oder die Größe der ersten elektrischen Energie um den Faktor 1,3 bis 3,0, vorzugsweise um den Faktor 2,0, vergrößert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer ersten Stromquelle zur Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises, deren Minuspol über eine Leitung mit der Brennerelektrode und deren 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 ^d deren Pluspol über eine Leitung mit dem Werkstück in Verbindung J5 steht und mit einer Plasmaschwe' igasquelle, die über eine Gasleitung mit dem Brenner verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Pilotlichtbogenstromkreis (36) in an sich bekannter Weise zu- bzw. abschaltbare Widerstände (32, 34) und in der Gasleitung (37, 42) in an sich bekannter Weise zu- bzw. abschaltbare Ventile (40,45) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Düsenleitung (23) ein Widerstand (32) zur Begrenzung des Pilotlichtbogenstroms vorgesehen ist, dem ein Parallelzweig (33), bestehend aus einem Widerstand (34) und einem Kontakt (35), zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (32, 34) in der Düsenleitung (23) und im Parallelzweig (33) gleich groß dimensioniert sind.

6. Vorrichtung nacli einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasleitung (37) eine zur Einstellung der Plasmamenge beim Schweißen dienende Ventilanordnung (38) angeordnet ir.t, und daß zwischen Gasmengeneinsteller (39) und Brenner (10) in die Gasleitung (37) eine Gaszuführung (46) mündet, in welcher eine zur Einstellung der zusätzlichen Gasmenge beim Zün- M) den des Plasmalichtbogens dienende zweite Ventilanordnung (43) vorgesehen ist.