DE2711831A1

DE2711831A1 - Verfahren und vorrichtung zum plasma-mig-schweissen

Info

Publication number: DE2711831A1
Application number: DE19772711831
Authority: DE
Inventors: Gerardus Jelmorini
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1977-10-13
Also published as: JPS591469U; IT1083740B; SE7703542L; GB1543106A; JPS52120248A; DE2711831C2; BE853003A; NL7603319A; FR2346091A1; ES457296A1; US4147917A; CA1075322A; FR2346091B1

Description

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"Verfahren und Vorrichtung zum Plasma-MIG-Schweissen".

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plasma-MIG-Schweissen, wobei in einem Gasstrom zwischen einer nicht-abschmelzenden Plasmaelektrode und einem Werkstück ein Plasmabogen unterhalten wird, eine abschmelzende Elektrode axial in das Gasplasma geführt wird und zwischen der abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück ein MIG-Bogen unterhalten wird.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der britischen Patentschrift 1.338.866 bekannt;

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wenn dabei geschweisst wird mit positiver Polarität der Plasmaelektrode und der abschmelzenden Elektrode, tritt über einer bestimmten Stromstärke in der abschmelzenden Elektrode, Übergangsstromstärke genannt, eine Rotation des MIG-Bogens sowie des Endes der abschmelzenden Elektrode auf. Der Wert dieser Übergangsstromstärke ist in wesentlichem Masse von dem Durchmesser, der Zusammenstellung und der herausragenden freien Länge der abschmelzende Elektrode abhängig. Wenn mit einer Stromstärke in der abschmelzenden Elektrode unterhalb der genannten Übergangsstromstärke geschweisst wird, dreht sich der MIG-Bogen nicht und bleibt ortsfest. Beim Schweissen mit dem ortsfesten MIG-Bogen und mit der maximal anwendbaren Stromstärke ist die pro Zeiteinheit abgeschmolzene Materialmenge durch diese Übergangsstromstärke begrenzt. Ausser der genannten Übergangsstromstärke gibt es noch eine meistens höhere kritische Stromstärke, Über der Bogeninstabilitäten und die Schweissverbindung porös wird. Auch bei negativer 20- Polarität der Plasmaelektrode und der abschmelzenden Elektrode ist von einer kritischen Stromstärke die Rede, über welcher der Materiältibergang weniger ruhig verläuft als unterhalb dieser kritischen Stromstärke.

Die Erfindung bezweckt nun, diese Beschränkungen zu verringern und die Anwendungsmöglichkeiten des

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Plaama-MIG-Schweissverfahrens zu erweitern. Dies wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass mindestens eine zweite abschmelzende Elektrode in dasselbe Gasplasma geführt wird und zwar in einer Richtung parallel zur ersten abschmelzenden Elektrode, wobei zwischen der zweiten abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück ebenfalls ein MIG-Bogen unterhalten wird.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, dass trotz der Tatsache, dass die beiden abschmelzenden Elektroden sich in demselben Gasplasma befinden, sie sich dennoch unabhängig voneinander verhalten und verschiedene Zusammenstellungen, Durchmesser und Potentiale haben können und mit ver-

₁_ schiedenen Geschwindigkeiten zugeführt werden können,

sogar wenn sie an dieselbe Speisequelle angeschlossen sind,

Für jede abschmelzende Eloktrode gelten, was die ÜbergangsStromstärke, die kritische Stromstärke und die Abschmelzgeschwindigkeit anbelangt, nahezu die-

₉_ selben Bedingungen wie beim Schweissen mit jeder der beiden Elektroden einzeln; dies bedeutet, dass bei sonst gleichen Parametern die gesamte Ubergangsstromstärke einen höheren Wert hat. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich beim Schweissen mit zwei orts-

₂e festen MIG-Bogen wesentlich höhere, in bestimmten Fällen

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doppelte Stromstärken und Abschmelzgeschwindigkeiten erzielen als beim Schweissen mit einer einzigen abschmelzenden Elektrode.

Es sei bemerkt, dass es aus der deutshen Patentschrift 1.789.079 an sich bekannt ist, mit einem Plasmabogen und mit mehreren stromführenden Schweisselektroden zu schweissen. Dabei treten jedoch die genannten Probleme und zwar Rotation des MIG-Bogens nicht auf, weil die Schweisselektroden nicht axial in das Gasplasma geführt werden, sondern seitlich; dieses Verfahren ist zum Auftragsschweissen bestimmt und eignet sich ausserdem nicht zum Herstellen von Schweissverbindungen.

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

mit einem Schweissbrenner, der im wesentlichen aus einem Gehäuse mit einer Düse, die eine Plasmaöffnung aufweist, einer nicht abschmelzenden Plasmaelektrode, einer Drahtführung, einem Kontaktelement und Mitteln zum Zuführen eines Plasmagases besteht, welche Vorrichtung weiter eine erste Speisequelle aufweist, an die die Plasmaelektrode angeschlossen ist, und eine zweite Speisequelle, an die das Kontaktelement angeschlossen ist. Diese Vorrichtung weist nach der Erfindung das Kenn-., zeichen auf, dass im Gehäuse mindestens eine zweite

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Drahtführung parallel zur ersten Drahtführung angeordnet ist. Es hat sich herausgestellt, dass der Abstand zwischen den beiden Drahtführungen innerhalb weiter Toleranzen variieren kann und zwar ohne nennens- > werte Abweichung der Abschmelzgeschwindigkeit, unter der Bedingung dass die abzuschmelzenden Schweissdrähte einander nicht berühren; ein minimaler Abstand der beiden Schweissdrähte etwa entsprechend dem dreifachen Durchmesser des Drahtes hat sich als ausreichend erwiesen.

Durch Änderung des Abstandes der abschmelzenden Elektroden und ihrer Lage gegenüber der Schweissstelle kann die Form der Einschmelzung des Werkstücks beeinflusst werden.

Das Kontaktelement kann verschiedenartig ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung sind die beiden Drahtführungen als Kontaktelemente ausgebildet, wobei die zweite Drahtführung an eine dritte Speisequelle angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform erhalten die beiden abzuschmelzenden Schweissdrähte ihrem Schweissstrom über die als Kontaktelemente ausgebildeten Drahtführungen von gesonderten Speisequellen, so dass die Schweissdrähte gegenüber dem Gasplasma auf verschiedene Potentiale eingestellt werden können. Bei dieser Ausführungsform muss das Gehäuse derart bemessen sein,

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dass im Gehäuse genügend Raum zum Unterbringen , der Plasmaelektrode und der beiden Drahtführungen verfügbar ist.

Eine einfachere und gedrängtere Konstruktion wird bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung erhalten und zwar dadurch, dass die beiden Drahtführungen zu einem gemeinsamen Kontaktelement zusammengefügt sind, das zentral im Gehäuse angeordnet ist. Dabei erhalten die beiden Schweissdrähte ihrem Schweissstrom über das gemeinsame Kontaktelement von deJT^weiten Speisequelle.

Bei den beiden obenstehend beschriebenen Ausführungsformen kann die Plasmaelektrode zentral oder exzentrisch im Gehäuse angeordnet werden, wobei die beiden Drahtführungen exzentrisch oder die eine Drahtführung zentral und der andere exzentrisch angeordnet ;;ind.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Düse als

2ß gemeinsames Kontaktelement ausgebildet, wobei die beiden Drahtführungen exzentrisch im Gehäuse angeordnet sind und die Mittellinien der Drahtführungen den Umfang der Plasmaöffnung nahezu berühren. Mit dieser Ausführungsform kann mit einer minimalen herausragenden freien Länge der beiden Schweissdrähte geschwiesst werden; dabei wird

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unter herausragender freier Länge der stromführende Teil der Schweissdrähte zwischen der Düse und ihrem freien Ende verstanden. Die beiden Drahtführungen sind jedenfalls exzentrisch im Gehäuse angeordnet. Die Plasraa-) elektrode kann entweder zentral oder ebenfalls exzentrisch angeordnet werden.

Dadurch, dass bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgeniässen Vorrichtung die Düse als Plasmaelektrode ausgebildet ist, kann eine gesonderte Plasmaelektrode im Gehäuse entfallen und wird eine sehr gedrängte Brennerkonstruktion erhalten.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis h der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung .- sind gleichartige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen angedeutet.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einem Schweissbrenner 3» dessen Gehäuse 5 eine Düse 7 mit einer Plasmaöffnung 9 aufweist. Eine nicht

PQ abschmelzende Plasmaelektrode 11, die beispielsweise aus Wolfram besteht und auf einem Elektrodenhalter 13 aus Kupfer befestigt ist, ist im Gehäuse 3 angeordnet und zwar exzentrisch gegenüber der Mittellinie X-X des Gehäuses und der Düse.

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Veiter sind im Gehäuse 51 mit ihren

Mittellinien Y-Y und Z-Zparallel zueinander, eine erste Drahtführung 15 sowie eine zweite Drahtfürung 17 .angeordnet, die zürn Führen der Schweissdrähte 19 bzw. 21 dienen.

Der Elektrodenhalter 13 mit der Plasmaelektrode 11 sowie die beiden Drahtführungen 15 und 17 sind in einer Abschlusskappe 23 aus elektrisch isolierendem Material befestigt und sind dadurch gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Das Gehäuse 5 ist weiter mit einem Anschluss zum Zuführen eines Plasmagases A, beispielsweise eines Inertgases wie Argon, versehen. Ein Schirm 27 mit Anschlüssen 29 dient zum Zuführen eines Schutzgases S, beispielsweise eines Argon-Kohlensäuregasgemisches, das zum Schütze der Schweissstelle vor Oxydation dient.

Die Plasmaelektrode 11 ist über eine Anschlussklemme 31 am Elektrodenhalter 13 und über einen Hochfrequenzgenerator 33 an den positiven Pol einer ersten Spannungsquelle 35 mit einer fallenden Kennlinie angeschlossen deren negativer Pol an ein zu bearbeitendes Werkstück W angeschlossen ist. Die beiden Schweissdrähte 19 und 21 werden zugeführt mittels Transportrollen 37 bzw. 39» die mit regelbarer Geschwindigkeit von Elektromotoren 41 bzw. k3 angetrieben werden.

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Nach der Erfindung sind die beiden Drahtführungen zugleich als Kontaktelemente zum Übertragen des Schweissstromes auf die beiden Schweissdrähte ausgebildet und sind dazu mit Anschlussklemmen ί»5 bzw. ^7 ) versehen; die Drahtführung 15 ist an den positiven Pol einer zweiten Speisequelle 49 angeschlossen, während die Drahtführung 17 an den positiven Pol einer dritten Speisequelle 51 angeschlossen ist; die beiden Speisequellen, die eine flache Kennlinie aufweisen, sind mit ihrem negativen Pol ebenfalls mit dem Werkstück W verbunden.

Zum Schweissen des Werkstücks W wird über den Anschluss 25 ein inertes Plasmagas A durch das Gehäuse 5 und die Plasmaöffnung 9 in Richtung des Werkstücks W geführt. Durch die Anschlüsse 29 im Schirm 27 wird ein Schutzgas S zugeführt. Ein mittels einer Hochfrequenzentladung gezündeter Plasmabogen wird im inerten Gasstrom zwischen der Plasmaelektrode 11 und dem Werkstück W unterhalten. Durch Ionisation des inerten Gases wird ein Gasplasma erzeugt. Zwischen den beiden axial in das Gasplasma geführten Schweissdrähten 19» 21 einerseits und dem Werkstück W andererseits werden zwei MIG-Bögen gezündet und unterhalten. Die beiden Schweissdrähte werden auf diese Weise in einem Mantel aus Plasmagas abgeschmolzen. Mit L ist

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die frei herausragende, stromführende Länge der Schweissdrähte bezeichnet.

Dadurch, dass in demselben Gasplasma gleichzeitig zwei oder mehrere Schweissdrähte zum Schmelzen gebracht werden, wird, wie bereits erläutert, die gesamte pro Zeiteinheit abgeschmolzene Materialmenge wesentlich vergrössert. Bei der Vorrichtung 61 nach Fig. 2 sind die beiden Drahtführungen zu einem gemeinsamen Kontaktelement 63 zusammengefügt, das im Gehäuse 5 zentral angeordnet ist. Über eine Anschlussklemme 65 ist das Kontaktelement 63 an die zweite Speisequelle 49 angeschlossen. Die Transportrollen 37 sowie die Transportrollen 39 zum Transport der beiden Schweissdrähte 19 und 21 werden gemeinsam vom Elektromotor 41 angetrieben. Bei dieser Ausführungsform entfallen die dritte Speisequelle sowie ein zweiter Elektromotor für den gesonderten Antrieb eines der Schweissdrähte.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 71» wobei die Düse 7 als gemeinsames Kontaktelement ausgebildet ist. Dazu ist die Düse mittels einer Anschlussklemme 73 an die zweite Speisequelle 49 angeschlossen. Die beiden Drahtführungen 15 und 17 sind derart im Gehäuse 5 angeordnet, dass ihre Mittellinien Y-Y bzw. Z-Z den Innenumfang 75 der Düse 7, die* die Plasmaöffnung 9

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begrenzt, nahezu berühren und zwar derart, dass die Schweissdrähte beim Vorschieben am Innenumfang 75 entlanggleiten. Bei dieser Ausführungsform entfällt die dritte Speisequelle ebenfalls. Im dargestellten > Ausführungsbeispiel sind die beiden Drahtführungen

15 und 17 gegenüber der zentral angeordneten Plasmaelektrode 11 symmetrisch angeordnet. Andere Aufstellungen der Plasmaelektrode und der Drahtführungen sind jedoch auch möglich, beispielsweise eine Aufstellung der Drahtführungen nebeneinander und/oder eine exzentrische Aufstellung der Plasmaelektrode.

Bei deriiFig. k dargestellte Vorrichtung 81 ist die Düse 7 als Plasmaelektrode ausgebildet. Dazu ist die Düse mittels einer Anschlussklemme 83 an die erste Speisequelle 35 angeschlossen. Dadurch, dass eine gesonderte Plasmaelektrode im Gehäuse 5 entfällt, wird eine gedrängte Brennerkonstruktion mit verhältnismässig geringen Abmessungen erhalten. Ausserdem kann der Abstand zwischen dem Kontaktelement ^3 ^un<* ^der Düse 7 verhältnismässig kurz gehalten werden, so dass auch mit dieser Ausführungsform mit verhältnismässig geringer frei herausragender Länge der Schweissdrahte geschweisst werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist der Hochfrequenzgenerator 33 nicht mehr notwendig, weil der Plasmabogen spontan zum Sünden gebracht werden

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kann und zwar durch die MIG-Bögen, die auf einfache Weise dadurch gezündet werden, dass die Schweissdrähte mit dem Werkstück in Berührung gebracht werden.

Bei Versuchen, die mit einer Vorrichtung nach Fig. 2 mit zu einem gemeinsamen Kontaktelement zusammengefügten Drahtführungen durchgeführt wurden, wurde zum Schweissen von Flussstahl mit positiver Polarität der beiden Schweissdrähtemit je einem Durchmesser von 1,2 mm geschweisst; die Stromstärke des Plasmabogens betrug 120 A bei k3 V. Die Gesamtstromstärke durch die zwei Schweissdrähte betrug 520 A bei 30 V. Dabei wurde eine totale Abschmelzgeschwindigkext von 252 g/Minute erzielt, ohne dass Rotation des MIG-Bogens stattfand. Der Abstand zwischen den

₁_ Mittellinien der Schweissdrähte betrug dabei 6 mm. Bei Vergleichsversuchen, die mit einem einzigen Schweissdraht durchgeführt wurden, dessen Querschnitt nahezu der Summe der Querschnitte der beiden genannten Schweissdrähte entsprach, d.h. mit einem Durchmesser von 1,7 mm, und mit denselben weiteren Schweissparametern, wurde lediglich eine maximale Abschmelzgeschwindigkeit von 14O g/Minute erreicht.

Beim Schweissen mit einem einzigen Schweissdraht mit einem Durchmesser von 1,2 mm lag der Wert für die kritische Stromstärke unter bestimmten

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Umständen bei '*70 A. Unter praktisch denselben Umständen liess sich mit zwei Schweissdrähten schweissen mit einer Stromstärke von 390 A durch jeden Schweissdraht, d.h. mit einer Gesamtstromstärke ) von 780 A.

Mit dem Verfahren und der ,Vorrichtung

nach der Erfindung können zwei oder mehrere Schweissdrähte verschiedener Zusammenstellungen und/oder verschiedener Durchmesser verwendet werden, wobei die Schweissdrähte ausserdem mit verschiedenen Geschwindigkeiten zugeführt werden können.

Die Vorteile der Erfindung treten auch

beim Auftragschweissen von Materialien auf, wobei die Materialübergang bei rotierendem MIG-Bogen auf weniger kontrollierte Weise erfolgt, beispielsweise beim Auftragsschweissen einer Nickellegierung; beim Füllen schmaler Nähte mit hoher Abschmelzgeschwindigkeit, wobei es nicht möglich ist, mit einem sich drehenden MIG-Bogen in die Naht zu gelangen; beim Legieren mit Hilfe von genormten Schweissdrähten verschiedener Zusammenstellungen, beispielsweise beim Verschweissen zweier Werkstücke aus verschiedenen Materialien.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

1· Verfahren zum Plasma-MIG-Schweissen, wobei in einem Gasstrom zwischen einer nichtabschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein Plasmabogen unterhalten wird, eine abschmelzende Elektrode axial in das Gasplasma geführt wird und zwischen der abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück ein MIG-Bogen unterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite abschmelzende Elektrode (21) in dasselbe Gasplasma geführt wird und zwar in einer Richtung parallel zur ersten abschmelzenden Elektrode (19)» wobei zwischen der zweiten abschmelzenden Elektrode (21) und dem Werkstück (w) ebenfalls ein MIG-Bogen unterhalten wird.

2. Werkstück, das mit dem Verfahren nach Anspruch 1 geschweisst worden ist.

3· Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Schweissbrenner, der im wesentlichen aus einem Gehäuse mit einer Düse, die eine Plasmaöffnung aufweist, einer nicht abschmelzenden Plasmaelektrode, einer Drahtführung, einem Kontaktelement und Mitteln zum Zuführen eines Plasmagases besteht, welche Vorrichtung weiter eine erste Speisequelle aufweist, an die die Plasmaelektrode angeschlossen ist,

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ORIGINAL INSPECTED

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und eine zweite Speisequelle, an die das Kontaktelement angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,dass im Gehäuse (5) mindestens eine zweite Drahtführung (17) parallel zur ersten Drahtführung (15) angeordnet ist. h. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drahtführungen (15»17) als Kontaktelemente ausgebildet sind, wobei die zweite Drahtführung (17) an eine dritte Speisequelle (51) angeschlossen ist.

5· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drahtführungen (15|17) zu einem gemeinsamen Kontaktelement (63) zusammengefügt sind, das zentral im Gehäuse (5) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (7) als gemeinsames Kontaktelement ausgebildet ist, wobei die beiden Drahtführungen (15117) exzentrisch im Gehäuse (5) angeordnet sind und die Mittellinien der Drahtführungen (15»17) den Umfang der Plasmaöffnung (9) nahezu berühren (Fig. 3).

7. Vorrichtung nach Anspruch k oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (7) als Plasmaelektrode ausgebildet ist. (Fig. 4).

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