DE2602513A1

DE2602513A1 - Verfahren zum schneiden, bearbeiten, schweissen und nachladen metallischer oder nichtmetallischer materialien mittels eines elektrischen bogens und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2602513A1
Application number: DE19762602513
Authority: DE
Inventors: Albert Ferrari; Albi Rudaz
Original assignee: Secheron Soudure SA
Current assignee: Secheron Soudure SA
Priority date: 1975-01-27
Filing date: 1976-01-23
Publication date: 1976-07-29
Also published as: FR2298399A1; GB1521622A; NO760244L; CH591306A5; ZA76432B; DE2602513C2; AT348310B; PT64742B; AU1044276A; NL7600545A; JPS5199651A; DK143057C; BE837654A; CA1065022A; PT64742A; IT1059333B; DK143057B; ATA41776A; FR2298399B1; FI753731A

Description

Γ'ΤΕΝΤ ATTORNEYS PATENTANWÄLTE CONSEILS EN BREVETS

. H. TISCHER · dipl.-ing. W. KERN · dipl-ing.H.-P. GAUGER

PA H. TISCHER. W. KERN. H.-P. CAUCER · D 8 MÖNCHEN 2. TAL 71

D β MÜNCHEN 2

W. GERMANY TAL 71

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Sech-6191

DATUM!

Secheron Soudure S.A.
CH 1196 Gland (Vaud)
Schweiz

^DATE! 23. Januar 1976

"Verfahren zum Schneiden, Bearbeiten, Schweissen und Nachladen metallischer oder nichtmetallischer Materialien mittels eines elektrischen Bogens und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens."

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STÄDTISCHE SPARKASSE MÖNCHEN NR. 169 227 BLZ 701 SOOOO

ORfQINAL INSPECTED

Man kennt bereits Bogenschweiss-Vorrichtungen, die einen durch Gleichstrom oder Wechselstrom gespeisten Elektromagneten aufweisen, der ein magnetisches Feld erzeugt, um eine lineare Schwingbewegung des Bogens zu bewirken. Diese bekannten Vorrichtungen wurden entwickelt, um die früher verwendeten mechanischen Mittel zu ersetzen, mit deren Hilfe die Fackel in eine Pendelbewegung versetzt wurde, damit der Bogen eine geradlinige Schwingbewegung durchführe. Ferner sind Vorrichtungen bekannt, bei denen die Drehung des Bogens unter dem Einfluss eines magnetischen Drehfeldes erfolgt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden, Bearbeiten, Schweissen und Nachladen metallischer oder nichtmetallischer Materialien mittels eines elektrischen Bogens, der unter dem Einfluss eines magnetischen Drehfeldes eine Drehbewegung durchführt. Das Verfahren, gemäss Erfindung, ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Bewegungsbahn mindestens eines der Enden des Bogens und die Geschwindigkeit des Bogens steuert.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit Mitteln, um in der Nähe des Bogens ein auf diesen einwirkendes magnetisches Drehfeld zu erzeugen, um den Bogen in eine Drehbewegung zu versetzen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Steuerung der Bewegungsbahn mindestens eines der Enden des Bogens sowie der Geschwindigkeit des Bogens aufweist.

Wie man sofort sieht, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den soeben erwähnten bekannten Vorrichtungen dadurch, dass die Bewegungsbahn und die Geschwindigkeit des um eine Achse der Fackel rotierenden Bogens gesteuert wird. Welche wichtigen Vorteile dieser Sachverhalt mit sich bringt, wird weiter unten noch näher erläutert werden.

In den beiliegenden Zeichnungen werden beispielsweise verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung, gemäss Erfindung, dargestellt. Diese Ausführungsformen der Vorrichtung illustrieren ihrerseits verschiedene Anwendungsmoglichkeiten des Verfahrens..

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Die Figuren 1, 2 und 3 beziehen sich auf eine erste Ausführung s form.

Fig. 1 stell% einen Axialschnitt entlang der in Fig. 2 ersichtlichen Linie 1-1 der magnetischen Armatur der Vorrichtung dar. Fig. 2 stellt einen der Fig. 1 entsprechenden Grundriss dar, Fig. 3 stellt einen Axialschnitt der Vorrichtung dar, d.h. die

Fackel und die diese umgebende, in den Fig. 1 und 2 dargestellte Armatur.
Fig. 4 ist eine sich auf diese erste Ausführungsform beziehende

Gesamtansicht.
Fig. 5 stellt einen Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform

dar.
Fig. 6 stellt einen Axialschnitt einer dritten Ausführungsform

dar.
Fig. 7 stellt einen Axialschnitt einer vierten Ausführungsform

dar.

Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung weist eine Plasmafackel mit nicht übertragenem Bogen auf, deren aus unschmelzbarem Material bestehende Buchse 1 ersichtlich ist. Im Innern dieser Buchse ist eine Elektrode 2 angeordnet, die mit der negativen Klemme einer Stromquelle verbunden ist. Diese Elektrode 2 ist am geschlossenen Ende 3 der Buchse 1 befestigt. Am entgegengesetzten Ende weist die Buchse, wie bereits bekannt ist, ein Metallstück 4 auf, das eine axiale Bohrung aufweist und die zweite Elektrode bildet. Diese zweite Elektrode ist mit der positiven Klemme der Stromquelle verbunden, welch letztere zur Erzeugung und Speisung des Bogens dient. Dieser Bogen ist mit der Hinweisziffer 6 versehen und erstreckt sich vom freien Ende der ersten Elektrode 2 zu einem inneren konischen Abschnitt 7 des Metallstückes 4,

Die Elektrode 2 weist einen Axialkanal 8 auf, durch den ein Gas zugeführt wird. Ferner ist in der Wand der Buchse 1 eine seitliche Oeffnung 9 vorgesehen, welche ebenfalls zur Zufuhr eines Gases dient. Diese Gase können zur Abkühlung, zum chemischen Schutz oder zur Herstellung eines Bogens mit einer '

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bestimmten Eigenschaft dienen (ionisierbare^ dissoziierbare Gase), Diese Gase werden in Plasmaform durch die Oeffnung 5 abgeführt und wirken in bekannter Weise auf das zu bearbeitende Werkstück (nicht dargestellt) ein. Alles was bis jetzt beschrieben wurde, ist bekannt, Die Vorrichtung weist ferner eine magnetische Armatur 10 auf. Diese Armatur 10 weist drei Arme 11, 12, 13 auf. Jeder dieser Arme trägt eine Wicklung 14, 15, bzw. 16. Jeder dieser Arme endet in einem Polstück 17, 18, 19. Diese drei Stücke sind sternförmig, je um 120° zueinander versetzt angeordnet, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Wie der Fig. 3 entnommen werden kann, umgibt die Armatur 10 mit ihren Wicklungen 14, 15, 16 die Buchse 1. Die Polstücke, von denen eines 17 in der Fig. 3 sichtbar ist, sind in der Nähe der Regionen angeordnet, in denen der Bogen 6 erzeugt wird.

Die drei Wicklungen 14, 15, 16 werden je von einer Stromphase eines Drexphasenstromes gespeist, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen.

Wenn die Wicklungen 14, 15, 16 von einem Dreiphasenstrom gespeist werden, so ist es klar, dass das durch die Polstücke 17, 18, 19 erzeugte magnetische Drehfeld auf den Bogen 6 einwirkt und diesen zwingt, sich um die Achse der Fackel zu drehen.

Diese Drehung des Bogens weist den grossen Vorteil auf, eine absolut homogene Energieverteilung zu garantieren. Dies hat zur Folge, dass die Abkühlung der Elektroden 2 und 4 begünstigt wird und deren Abmessungen deshalb relativ klein sein können.

In Fig, 4 ist die gesamte Vorrichtung schematisch dargesteilt_# d.h, die Fackel gemäss Fig. 3 zusammen mit den Mitteln sur Stromversorgung und zur Steuerung der Drehbewegung des Bogens. In dieser Figur wird die den Bogen 6 speisende Stromquelle mit der Hinweisziffer 20 versehen. Die Einrichtung zur Lieferung von Mehrphasenstrom (im vorliegenden Fall handelt es sich um eiiien Dreiphasenstrom) weist die Hinweisziffer 21 auf. Dieser Ein·« richtung 21 sind die Wicklungen 14, 15, IS der beschriebenen

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Vorrichtung zugeordnet. Die Einrichtung 21 weist einen variablen Fuhrungsfreguenzgenerator 22, einen durch den Frequenzgenerator 22 regelbaren Mehrphasenstromgenerator 23 sowie drei Verstärker 24, 25, 26 auf, welch letztere den Strom zu den Wicklungen 14, 15, 16 liefern. Diese Verstärker werden durch ein Organ 27 zur Regelung der Amplitude gesteuert, welches seinerseits von einem Impulsgenerator 28 beeinflusst wird. Dieser Impulsgenerator 28 wird durch den Fuhrungsfreguenzgenerator 22 gesteuert. Ferner sind in der Fig. 4 die Mittel 29 zur Regelung der Freguenz sowie das zu bearbeitende Werkstück 30, das aus einem Metall oder einem nichtmetallischen Werkstoff bestehen kann, dargestellt.

Im Gegensatz zu einer direkt durch ein industrielles Mehrphasen-Stromnetz erfolgten Stromversorgung weist die vorliegende Vorrichtung den grossen Vorteil auf, dem Benutzer die willkürliche Auswahl zwischen mehreren Freguenzen zu ermöglichen .

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine Fackel mit übertragenem Plasmabogen.

Die Konstruktion der Fackel entspricht im wesentlichen der in Fig. 3 dargestellten Konstruktion. Allerdings mit dem unterschied, dass die negative Elektrode 31 ein massiver Körper ist und das dem in der Fig. 3 dargestellten Metallstück 4 entsprechende Metallstück 32 nicht mehr die positive Elektrode darstellt, sondern zur Einengung des Bewegungsbereiches des Bogens 33 dient. Ferner ist bei dieser Ausführungsform das zu bearbeitende Werkstück mit der positiven Klemme des Stromversorgungsnetzes verbunden. Die elektromagnetischen Mittel, unter deren Einfluss der Bogen in eine Drehbewegung versetzt wird, sind im wesentlichen mit denjenigen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschriebenen identisch. Allerdings mit dem unterschied, dass die Armatur 35 mit ihren Armen, wie z.B. 36, und ihren Wicklungen, wie z.B. 37, 38, die wie bei der ersten Ausführungsform sternförmig angeordnet sind, derart um die aus unschmelzbarem Material bestehende Buchse 39 herum angeordnet sind, dass die Polstücke, von denen nur zwei 40, 41 in der Fig. 5

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ersichtlich sind, sich, in der Nähe der Oeffnung 42 des Stückes 32 im Bereich zwischen diesem Stück 32 und dem Werkstück 34 befinden. Dank dieser Anordnung wirkt das mittels der Polstücke erzeugte magnetische Drehfeid auf den sich ausserhalb der Fackel befindlichen Abschnitt des Bogens ein und zwingt diesen, sich zu drehen, wie dies mittels des Pfeiles 43 dargestellt ist.

Bei dem in der Fig. 6 dargestellten Beispiel handelt es sich um eine Fackel, die unter dem Namen TIG bekannt ist. Das heisst, es handelt sich um eine Fackel, die gemäss dem Verfahren mit einem Gasstrom arbeitet und eine unschmelzbare Elektrode aufweist. Diese unschmelzbare Elektrode 44 ist in axialer Richtung in einer unschmelzbaren Buchse 45 angeordnet. Das freie Ende der Elektrode ist in der Oeffnung 46 des einen Endes der Buchse 45 angeordnet und der Bogen 48 entsteht zwischen der Spitze dieser Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück 47. Der Pfeil 49 zeigt, wie der Bogen unter dem Einfluss des durch die drei Polstücke, von denen nur zwei 50, 51 ersichtlich sind, erzeugten magnetischen Drehfeldes bewegt wird. Die elektromagnetischen Mittel zur Erzeugung der Drehbewegung des Bogens sind mit denen unter Bezugnahme auf die Fig. 5 beschriebenen identisch.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine Fackel, die gemäss dem Verfahren mit einem Gasstrom arbeitet und eine leichtschmelzende Elektrode aufweist. Im Innenraum der aus unschmelzbarem Material bestehenden Buchse 52 ist in axialer Richtung ein Metallrohr 53 angeordnet, das mit der positiven Klemme des Stromversorgungsnetzes verbunden ist. Dieses Metallrohr 53 dient der aus einem Metalldraht bestehenden leichtschmelzbaren Elektrode 54 als Führung. Beim Betrieb der Vorrichtung wird dieser Draht fortwährend von einer Spule 55 abgerollt. Die Buchse 52 weist an einem Ende eine zentrale Oeffnung 56 auf, welches Ende demjenigen gegenüberliegt,, an dem das Metalirohr 53 befestigt ist. Die Mittel zur Erzeugung der Drehbewegung- des Bogens sind mit denjenigen in den FIg₀ 5 und 6 dargestellten identisch» Diese Mittel weisen je um 120°

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zueinander versetzt angeordnete Polstücke auf, von denen nur zwei 57, 58 ersichtlich sind. Diese Polstücke beeinflussen den Bogen, der zwischen dem Ende 60 der leichtschmelzbaren Elektrode 54 und dem mit der negativen Klemme des Stromversorgungsnetzes verbundenen Werkstück 61 entsteht. Der Pfeil 62 gibt die dem Bogen durch das magnetische Drehfeld aufgezwungene Drehbewegung an.

In der Fig. 7 sind auch einige Metalltröpfchen 63 dargestellt, die von der leichtschmelzbaren Elektrode 60 stammen und auf das Werkstück 61 abgelagert werden.

Durch den Umstand, dass den verschiedenen soeben beschriebenen Vorrichtungen eine Steuereinrichtung 21 gemäss Pig. 4 zugeordnet wird, können die auf das Werkstück übertragene Energiedichte und, bei der Verwendung einer leichtschmelzbaren Elektrode, die üebertragung des Metalls auf das Werkstück gesteuert werden. Mittels der Spannung, der Frequenz sowie der Anordnung der Wicklungen kann das magnetische Drehfeld periodisch oder nicht periodisch in Bezug auf seine Amplitude und seine Drehgeschwindigkeit geregelt werden. Indem man die Spannung und die Frequenz entweder unabhängig voneinander oder simultan in Funktion der Zeit variiert, können Puisationseffekte des Bogens erzielt und perfekt gesteuert werden. So ist es möglich, auf einem Flächenabschnitt des Werkstückes, dessen aussere Grenze den grössten Amplituden des Bogens und dessen innere Grenze den kleinsten Amplituden des Bogens entsprechen, die Energie in Abhängigkeit von den gewünschten Resultaten, d,h, homogene Dichte der übertragenen Energie, Eindringeffekt, Struktureffekt, u,s.w., zu verteilen. Es ist klar, dass diese Grenzen die Form eines Kreises, einer Ellipse oder jede andere Form auf weisen können, Wenn die Drehgeschwindigkeit des Bogens genügend gross ist, kann erreicht werden, dass der Strahl praktisch eine kontinuierliche FlSche in der Form einer Glocke oder eines Zy linders bildet« Dies ermöglicht es, bei einen gegebenen elektrischen Strom eine wesentliche Zunahme der Bogenspannung und

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dadurch auch der Leistung des Bogens zu erreichen. Diese Spannungserhöhung ist eng rait der Energieabsorptionsfähigkeit der verschiedenen verwendeten Gase verbunden (z.B. dissoziierbare Gase, wie H„ und N_).

Durch das Erzeugen einer kontinuierlichen Fläche wird das verwendete dissoziierbare Gas gewissermassen gezwungen, im Innern des durch die kontinuierliche Fläche abgegrenzten Volumens zu verweilen, wodurch praktisch sichergestellt wird, dass die totale Masse des sich im Innern des Volumens befindlichen Gases dissoziiert wird. Mit andern Worten wird der Wirkungsgrad des Ionisationsprozesses wesentlich erhöht.

Diese Effekte üben einen vorteilhaften Einfluss auf die Dimensionierung der Fackeln mit nicht übertragenem Bogen aus; denn bei einer gegebenen Leistung wird die von relativ schwachen elektrischen Strömen durchflossene Anode weniger beansprucht, wodurch Schaden und eine frühzeitige Zerstörung dieses Elementes verhindert werden. Diese Plasmafackeln mit nicht übertragenem Bogen werden in den verschiedensten Gebieten verwendet, wie z.B. Nachladungsarbeiten mit unschmelzbaren Materialien, das Bearbeiten und Schneiden steiniger, nichtleitender Materialien und natürlich das Bearbeiten metallischer Werkstücke.

Natürlich kann das magnetische Drehfeld durch einen anderen Mehrphasenstrom als einem Dreiphasenstrom gespeist werden.

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Claims

•5-

ANSPRUECHE

!./Verfahren zum Schneiden, Bearbeiten, Schweissen und Nachladen metallischer oder nichtmetallischer Materialien mittels eines elektrischen Bogens, der unter dem Einfluss eines magnetischen Drehfeldes eine Drehbewegung durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass man die Bewegungsbahn mindestens eines der Enden des Bogens und die Geschwindigkeit des Bogens steuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Amplitude und die Drehgeschwindigkeit des magnetischen Drehfeldes in Funktion der Zeit variiert, indem man die Spannung und die Frequenz des zur Erzeugung des Magnetfeldes dienenden Mehrphasenstroms in Funktion der Zeit variiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Bogen in eine Drehbewegung versetzt, damit dieser praktisch eine Fläche in der Form einer Glocke oder eines Zylinders bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, das im Falle eines übertragenen Bogens angewendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass man die Geschwindigkeit und die Bewegungsbahn des sich auf dem zu bearbeitenden Werkstück befindlichen Endes des Bogens steuert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, das im Falle eines nicht übertragenen Bogens angewendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass man das magnetische Feld durch die Wand der Fackel hindurch auf den Bogen einwirken lässt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit Mitteln, um in der Nähe des Bogens ein auf diesen einwirkendes magnetisches Drehfeld zu erzeugen, um den Bogen in eine Drehbewegung zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Steuerung der Bewegungsbahn mindestens eines der Enden des Bogens sowie der Geschwindigkeit des Bogens aufweist,

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Plasmafackel mit nicht übertragenem Bogen aufweist, und dass die Polstück einer magnetischen Armatur um die aus unschmelzbarem Material bestehende Buchse der Fackel herum und in der Nähe des Abschnittes, wo der Bogen entsteht, angeordnet sind, um durch die Wand der Buchse hindurch auf den Bogen einzuwirken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einer Fackel mit übertragenem Bogen, die eine aus unschmelzbarem Material bestehende Buchse, in der die Elektrode angeordnet ist, aufweist, und welche Buchse eine Oeffnung besitzt, durch die der sich von der Elektrode zum Werkstück erstreckende Bogen hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Armatur und ihre Wicklungen um die Buchse herum angeordnet sind, dass sich die Polstücke in der Nähe der genannten Oeffnung zwischen dieser und dem Werkstück befinden, um auf den sich ausserhalb der Fackel befindlichen Abschnitt des Bogens einzuwirken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Fackel mit übertragenem Bogen um eine Plasmafackel handelt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fackel eine unschmelzbare Elektrode aufweist,

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fackel eine leichtschmelzbare Elektrode aufweist.

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