DE2602513C2

DE2602513C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schneiden, Erodieren, Schweißen oder Niederlegen eines metallischen oder nichtmetallischen Materials mittels eines elektrischen, durch ein elektromagnetisches Drehfeld bewegten Licht- oder Plasmabogens

Info

Publication number: DE2602513C2
Application number: DE2602513A
Authority: DE
Inventors: Albert Gland Waadt Ferrari; Albi Givrins Waadt Rudaz
Original assignee: Secheron Soudure SA
Current assignee: Secheron Soudure SA
Priority date: 1975-01-27
Filing date: 1976-01-23
Publication date: 1982-10-07
Also published as: ATA41776A; PT64742A; AT348310B; BE837654A; IN143042B; IT1059333B; PT64742B; NL7600545A; FI753731A; DE2602513A1; DK143057C; SE7600761L; FR2298399A1; DK29076A; JPS5199651A; CH591306A5; AU1044276A; DK143057B; CA1065022A; FR2298399B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Schneiden, Erodieren, Schweißen oder Ablagern metallischer oder nichtmetallischer Materialien mittels eines elektrischen, durch ein elektromagnetisches Drehfeld bewegten Licht- oder Plasmabogens, der unter dem Einfluß des Drehfeldes Drehbewegungen durchführt

Es sind bereits Bogenschweißvorrichtungen bekannt, die einen durch Gleichstrom oder Wechselstrom gespeisten Elektromagneten aufweisen, der ein magnetisches Feld erzeugt, um lineare Schwingungen des Bogens zu bewirken. Diese Vorrichtungen wurden entwickelt, um die älteren mechanischen Mittel zu ersetzen, mit deren Hilfe die Fackel in eine Pendelbewegung versetzt wurde, damit der Bogen eine gradlinige Schwingbewegung ausführt Ferner werden Vorrichtungen verwendet, bei denen die Drehung des Bogens unter dem Einfluß eines magnetischen Drehfeldes erfolgt

Aufgabe der Erfindung ist es nun, das Verfahren der genannten Art und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer ersten Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Licht- oder Plasmabogens und einer zweiten Einrichtung zur Erzeugung des auf den Bogen einwirkenden elektromagnetischen Drehfeldes in der Nähe des Bogens so auszubilden, daß das Ende des Licht- oder Plasmabogens eine im voraus festgelegte Kurve beschreiben kann, so daß dieses Ende praktisch eine Oberfläche gewählter Form bestreicht, die rund, viereckig, dreieckig oder dgl. sein kann.

Diese Aufgabe wird, was das Verfahren anbelangt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drehbewegung des magnetischen Feldes mit Hilfe der Amplitude eines Wechselstroms gesteuert wird, und daß die Bewegungsbahn mindestens eines der Enden des Bogens und die Geschwindigkeit des Bogens gesteuert werden.

s Auf diese Weise läßt sich durch geeignete Variation der beiden Parameter des beweglichen Bogenendes, also des Vektorstrahls und der Drehgeschwindigkeit, praktisch die gesamte Oberfläche eines an sich beliebig geformten Körpers überstreichen.

ίο Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens läßt sich zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Bogens die Frequenz des Wechselstroms steuern.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

is kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß die zweite Einrichtung ein Mehrphasenwechselstromgenerator ist, daß eine dritte Einrichtung vorhanden ist, die eine Spannung liefert, welche von durch die zweite Einrichtung gespeisten Verstärkern steuerbar ist, und daß ein Impulsgenerator zur Steuerung des Ausgangs der Verstärker vorgesehen ist

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert

F i g. 1 stellt einen Axialschnitt entlang der in F i g. 2 ersichtlichen Linie 1-1 der magnetischen Armatur der Vorrichtung dar.

F i g. 2 stellt einen der F i g. 1 entsprechenden Grundriß dar.

F i g. 3 stellt einen Axialschnitt der Vorrichtung dar, d. h. die Fackel und die diese umgebende, in den F i g. 1 und 2 dargestellte Armatur.

F i g. 4 ist eine sich auf diese erste Ausführungsform beziehende Gesamtansicht

F i g. 5 stellt einen Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform dar.

F i g. 6 stellt einen Axiaischnitt einer dritten Ausführungsform dar. F i g. 7 stellt einen Axialschnitt einer vierten Ausfüh rungsform dar.

Die in den F i g. 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,

so 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 öffnung 9 vorgesehen, welche ebenfalls zur Zufuhr eines Gases dient Diese Gase können zur Abkühlung, zum chemischen Schutz oder zur Herstellung eines Bogens mit einer bestimmten Eigenschaft dienen (ionisierbare, dissoziierbare Gase).

Diese Gase werden in Plasmaform durch die Öffnung 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 Anne trägt eine Wicklung 14,15,16. 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 F i g. 2 dargestellt ist Wie der F i g. 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 Dreiphasenstromes 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 daß deren Abmessungen deshalb relativ klein sein können.

In Fig.4 ist die gesamte Vorrichtung scheniatisch dargestellt, d. h. die Fackel gemäß F; g. 3 zusammen mit den Mitteln zur Stromversorgung und zur Steuerung der Drehbewegung des Bogens. In dieser Figur ist die den Bogen 6 speisende Stromquelle mit der Hinweisziffer 20 versehen. Die Einrichtung zur Lieferung von Mehrphasenstrom (im vorliegenden Fall handelt es sich um einen Dreiphasenstrom) weist die Hinweisziffer 21 auf. Dieser Einrichtung 21 sind die Wicklungen 14,15,16 der beschriebenen Vorrichtung zugeordnet Die Einrichtung 21 weist einen variablen Führungsfrequenzgenerator 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 Führungsfrequenzgenerator 22 gesteuert. Ferner sind in der F i g. 4 die Mittel 29 zur Regelung der Frequenz 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 Frequenzen zu ermöglichen.

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

Die Konstruktion dir 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 Eintluß der Bogen in eine Drehbewegung versetzt wird, sind im wesentlichen mit denjenigen unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 3 beschriebenen identisch. Allerdings mit dem Unterschied, daß die Armatur 35 mit ihren Armen, wie z. B. 36, und ihren Wicklungen, wie tu B. 37, 38, die wie bei der ersten Ausführungsform sternförmig angeords net 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 ersichtlich sind, sich in der Nähe der öffnung 42 des Stückes 32 im Bereich zwischen diesem Stück 32 und

ίο dem Werkstück 34 befinden. Dank dieser Anordnung wirkt das mittels der Polstücke erzeugte magnetische Drehfeld 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 Öffnu.ig 46 des einen Endes der Buchse 45 angeordnet und ate 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, /on 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 F i g. 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 öffnung 56 auf, welches Ende demjenigen

« gegenüberliegt, an dem das Metallrohr 53 befestigt ist. Die Mittel zur Erzeugung der Drehbewegung des Bogens sind mit denjenigen in den Fig.5 und 6 dargestellten identisch. Diese Mittel weisen je um 120° zueinander versetzt angeordnete Polstücke auf, von

so 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 Bo^en 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 Fig.4 zugeordnet wird, können die auf das Werkstück übertragene Energiedichte und, bei der Verwendung einer leichtschmelzbaren Elektrode, die Übertragung des Metalls auf das Werkstück gesteuert werden. Mittels der Sp"nnung. der Frequenz sowie der Anordnung der Wicklungen kann das magnetische Drehfeld periodisch oder nicht periodisch in bezuE 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 Pulsationseffekte des Bogens erzielt und perfekt gesteuert werden. So ist es möglich, auf einem Flächenabschnitt des Werkstückes, dessen äußere 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 usw., zu verteilen. Es ist klar, daß diese Grenzen die Form eines Kreises, einer Ellipse oder jede andere Form aufweisen können. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Bogens genügend groß ist, kann erreicht werden, daß der Strahl praktisch eine kontinuierliche Fläche in der Form einer Glocke oder eines Zylinders bildet. Dies ermöglicht es, bei einem gegebenen elektrischen Strom eine wesentliche Zunahme der Rogenspannung und dadurch auch der Leistung des Bogens zu erreichen. Diese Spannungserhöhung ist eng mit der Energieabsorptionsfähigkeit der verschiedenen verwendeten Gase verbunden (z. B. dissoziierbare Gase, wie H2 und N₂).

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 ilnnern des Volumens befindlichen Gases dissoziiert wird. Mit anderen Worten wird der Wirkungsgrad des lonisationsprozesses 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 Schäden

·■' 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.

Das magnetische Drehfeld kann auch durch einen anderen Mehrphasenstrom als einen Dreiphasenstrom gespeist werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schneiden, Erodieren, Schweißen oder Ablagern metallischer oder nichtmetallischer Materialien mittels eines elektrischen, durch ein elektromagnetisches Drehfeld bewegten Lichtoder Plasmabogens, der unter dem Einfluß des Drehfeldes Drehbewegungen durchführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegungen des magnetischen Feldes mit Hilfe der Amplitude eines Wechselstroms gesteuert wird, und daß die Bewegungsbahn mindestens eines der Enden des Bogens und die Geschwindigkeit des Bogens gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Bogens die Frequenz des Wechselstroms gesteuert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer ersten Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Licht- oder Plasmabogens und einer zweiten Einrichtung zur Erzeugung des elektromagnetischen, auf den Bogen einwirkenden Drehfeldes in der Nähe des Bogens, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung ein Mehrphasenwechselstromgenerator (23) ist, daß eine dritte Einrichtung vorhanden ist, die eine Spannung liefert, welche vow durch die zweite Einrichtung gespeisten Verstärkern (24, 25, 26) steuerbar ist, und daß ein Impulsgenerator (28) zur Steuerung des Ausgangs der Verstärker vorgesehen ist.