DE2816146A1

DE2816146A1 - Verfahren und schweissbrenner zum lichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE2816146A1
Application number: DE19782816146
Authority: DE
Inventors: Gerrit Willem Tichelaar; Gerardus Antonius Mari Willems
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-04-26
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1978-11-09
Also published as: GB1556145A; US4234778A; AU512884B2; FI781240A; IT7822615A0; JPS5916549B2; BR7802520A; SE442095B; IT1095209B; SE7804621L; ES469069A1; AU3540278A; NO150347C; FR2388628A1; CA1114459A; DE2816146C2; NL7704527A; JPS53133549A; FR2388628B1; NO781425L

Description

Verfahren und Schweissbrenner zum Lichtbogenschweissen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lichtbogenschweissen, bei dem zwischen einer abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein MIG-Bogen in einem von einem Schutzgas umhüllten Gasplasma aufrechterhalten wird, das von einem Plasmabogen zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück erzeugt wird, wobei als Plasmagas und als Schutzgas ein Gas gleicher Zusammensetzung verwendet -wird, das als gemeinsamer Gasstrom zugeführt wird, der in Höhe der nicht-abschmelzenden Elektrode in eine Säule von Plasmagas und einen Mantel von Schutzgas aufgespalten wird.

t Ein derartiges Verfahren wurde bereits in der

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älteren niederländischen Patentanmeldung 7·700.971 der Anmelderin vorgeschlagen. Das letztere Verfahren bezweckt, eine Verbesserung des aus der Dt-OS 24 49 795 bekannten Schweissverfahrens zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die Abschmelzgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode zu erhöhen, das Aufschmelzen des ¥erkstücks sowie die Tropfenabtrennung von der abschmelzenden Elektrode zu verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten des Schweissverfahrens zu erweitern.

Dies wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gasplasmas durch Einschnürung des Schutzgases stromabwärts der nicht-abschmelzenden Elektrode erhöht wird. Durch Einschnürung des Schutzgasmantels wird offensichtlich ein Teil des relativ kalten Schutzgases in die Plasmasäule getrieben und wird dort erhitzt, so dass es expandiert. Dies hat zur Folge dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gasplasmas erheblich zunimmt. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Gasplasmas hat zwei Effekte zur Folge:

Die Tropfenabtrennung von der abschmelzenden Elektrode wird stark gefördert und die Wärmeübertragung auf das Werkstück wird vergrössert. Auf die mit dem Verfahren erhaltenen Vorteile wird nachstehend näher eingegangen. Die ÜbergangsStromstärke des Schweissstroms durch die abschmelzende Elektrode, bei der der Werkstoffübergang von einem tropfenförmigen in einen axialen sprühngenartigen überx^echselt, wird erheblich herabgesetzt,

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z.B. von 16O A auf 100 A für eine abschmelzende Elektrode aus Al-Draht mit einem Durchmesser von 1,2 mm. Dies ergibt ohne weiteres eine erhebliche Verbesserung des Tropfenübergangs bei niedriger Stromstärke durch die abschmelzende Elektrode, d.h. abgeschleuderte statt hauptsächlich unter Einfluss der Schwerkraft übergehende Tropfen, was beim Schweissen in nicht horizontaler "Zwangslage" von besonderer Bedeutung ist; z.B. darf beim Schweissen senkrecht angeordneter Platten der Schwedssstrom durch die abschmelzende Elektrode nicht zu hoch sein, weil sonst das Schweissbad zu heiss und zu gross wird und wegfliesst.

Die Tropfen werden kürzer erhitzt und die

abschmelzende Elektrode schmilzt schneller ab infolge der Tatsache, dass die Energie, die sonst eine überhitzung herbeiführt, nun zu einem gx-össeren Teil zum Schmelzen der abschmelzenden Elektrode benutzt wird. Z.B. ist beim Verschweissen von Al-Draht mit dem genannten bereits bekannten Verfahren die überhitzung sehr gross; bei einer Stromstärke durch die abschmelzende Elektrode von 16O A wurde eine Tropfentemperatur von 1700 C gemessen, was eine überhitzung von mehr als 1000 C bedeutet. Bei Versuchen mit dem Verfahren nach der Erfindung wurde in bezug auf das bekannte Verfahren eine Erhöhung der Abschmelzgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode von kO°/o pro Ampere, von der Stromquelle für die abschmelzende Elektrode geliefert, festgestellt. Beim Schweissen von Aluminiumwerkstücken ist eine verhältnismässig niedrige Temperatur der

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Tropfen auch noch besonders günstig, weil dann weniger Wasserstoff aus der den Schweissbogen umgebenden Atmosphäre aufgenommen wird, so dass in bezug auf das bereits genannte bekannte Verfahren weniger Poren in der Schweisse entstehen werden.

Aus Obenstehendem wird klar sein, dass das Verfahren nach der Erfindung in bezug auf das bekannte Verfahren und abhängig von den praktischen Anforderungen die folgenden Möglichkeiten bietet:

Erhöhung der Abschmelzgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode bei einem vorgegebenen Schweissstrom, so dass eine Schweissnut bei gleicher Warmeeinführung schneller gefüllt werden kann; oder
Ablagerung einer bestimmten Menge Schweissmetall bei niedrigerer Stromstärke durch die abschmelzende Elektrode und somit bei einer niedrigeren Temperatur des Schweissbades, insbesondere beim Schweissen "in Zwangslage"; oder eine Kombination beider Möglichkeiten, wobei naturgemäss in bezug auf die Abschmelzgeschwindigkeit, die Stromstärke und die Temperatur des Schwei.ssbades Zwischenwerte gelten.

Durch den grösseren Staudruck des mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasplasmas wird die Wärmeübertragung von dem heissen Gasplasma auf die Schmelzzone in dem Werkstück vergrössert. Zum Teil findet diese Vergrösserungder Wärmeübertragung dadurch statt, dass das flüssige Material von dem Gasplasma weggeblasen wird, so dass der nicht geschmolzene Boden des Schmelzbades frei

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zu liegen kommt. Zu einem anderen Teil wird die Wärmeübertragung von dem schnell strömenden Gasplasma aus grosser sein als von einem langsamer strömenden Gas. Dies hat zur Folge, dass ein tieferer Einbrand in das Werkstück erhalten

c wird, was zur Vermeidung der sogenannten Anschmelzfehler günstig ist.

Weiter hat sich herausgestellt, dass trotz der Einschnürung des Schutzgasmantels der Schutz der Plasmasäule durch das Schutzgas in grossem Masse erhalten bleibt.

Dies.ist eine sehr günstige Nebenerscheinung und insbesondere beim Schweissen von Aluminium von Bedeutung, wobei noch ein Schutz des Schweissbades ver Zutritt von Luft erhalten wird, der sich in der Praxis als genügend erwiesen hat. Zum Schweissen anderer Materialien kann gegebenenfalls ein zusätzlicher

•je Gasschutz angewandt werden.

Trotz der Tatsache, dass eine bestimmte Menge Schweissmetall niedrigerer Temperatur bei niedrigerer Stromstärke durch die abschmelzende Elektrode abgelagert wird, so dass die Abmessungen des Schweissbades kleiner sind, nimmt der Einbrand des Werkstücks zu. Ausserdem wird eine günstige Art des Werkstoffübergangs erhalten.

Insbesondere das Schweissen "in Zwangslage" wird in erheblichem Masse verbessert; infolge der dabei notwendigen niedrigen Stromstärke durch die abschmelzende Elektrode ist mit den bisher bekannten automatischen Schweissverfahren das Aufschmelzen des Werkstücks oft unbefriedigend, so dass Anschmelzfehler auftreten können.

, Es sei bemerkt, dass die Einschnürung eines Gasplasmas an sich bereits aus der britischen Patentschrift 8^15 · ^ 10'bekannt ist. Dabei findet die Einschnürung des

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Gasplasmas unmittelbar durch die verengte Plasmaöffnung, d.h.. ohne Einschnürung des Schutzgases, statt. Das gegebenenfalls gesondert zugeführte Schutzgas, das eine andere Zusammensetzung als das Plasmagas aufweist, wird aber nicht eingeschnürt. Weil ausserdem die abschmelzende Elektrode seitlich in das Gasplasma eingeführt wird, können die obenbeschriebenen Vorteile und Effekte, insbesondere in bezug auf die abschmelzende Elektrode, nicht oder nur teilweise erhalten werden.

- tO Mit dem erfindungsgemässen Verfahren geschweisste

Werkstücke zeichnen sich durch eine verhältnismässig schmale Schwelssraupe, durch einen verhältnismässig tiefen Einbrand und durch Porenfreiheit der Schweisse aus.

Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Schweis brenner zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung, der ein Gehäuse, eine Düse mit einer Plasmaöffnung, eine Gaszufuhr, ein Kontaktrohr im Gehäuse und einen mit einer Ausströrnungsöffnung versehenen Gasleiter enthält, wobei die Düse einen zentralen Elektrodenring aufweist, der mittels radialer Durchflusskanäle begrenzender Rippen mit dem Gehäuse verbunden ist. Eine derartige Schweissbrennerkonstruktion wurde bereits in der vorerwähnten niederländischen Patentanmeldung 7.700.971 vorgeschlagen. Dieser Schweissbrenner ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt der Ausströmungsöffnung des Gasleiters kleiner als der Gesamtquerschnitt der Durchflusskanäle und der Plasmaöffnung

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in der Düse ist. Mit diesem Schweissbrenner werden der Schutzgasmantel und die Plasmasäule stark eingeschnürt, so dass das Gasplasma beim Durchfliessen der Ausströmungsöffnung beschleunigt wird. Der Schweissbrenner nach der Erfindung ist besonders einfach, klein und robust und eignet sich sowohl zum vollautomatischen- als auch zum halbautomatischen Schweissen sowie zur Anwendung als Hands chwe i s sbr eimer.

Mit dem Schweissbrenner nach der Erfindung ist zur Erzielung eines Einschnürungseffekts und somit einer Beschleunigung des Gasplasmas erforderlich, dass dem Schweissbrenner eine bestimmte minimale Gasmenge zugeführt wird. Dadurch, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform des Schweissbrenners nach der Erfindung das Verhältnis des freien Querschnittes der Ausströmungsöffnung zu dem gesamten freien Querschnitt der Plasmaöffnung und der Durchflusskanäle zwischen 1 : 1,3 und 1:4 liegt, wird unter allen Umständen ein Einschnürungseffekt und somit eine Beschleunigung des Gasplasmas erhalten.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform des Schweissbrenners nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt der Ausströmungsöffnung gleich oder kleiner als der Querschnitt der Plasmaöffnung ist. Dank dieser Massnahme ist es möglich, den Einschnürungseffekt der Ausströmungsöffnung und die Beschleunigung des Gasplasmas durch Änderung der dem Schweissbrenner pro Zeiteinheit zugeführten Gasmenge zu

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beeinflussen.

Bei Anwendung des aus der bereits genannten Dt.OS 24^9795 bekannten Schweissbrenners werden in der Praxis Gasmengen von 15 bis 40 l/min zugeführt. Beim Zuführen derartiger Gasmengen wird bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Schweissbrenners nach der Erfindung, bei der die Plasmaöffnung und die Ausströmungsöffnung einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, eine optimale Einschnürung und Beschleunigung des Gasplasmas dadurch erhalten, dass die Ausströmungsöffnung und die Plasmaöffnung einen Durchmesser von mindestens 6 mm und höchstens 12 mm aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Schweissbrenner nach der Erfindung im Längsschnitt, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Schweissbren— ner längs der Linie H-II in Fig. 1.

Ein in den Figuren 1 und 2 gezeigter Schweissbrenner 1 enthält ein Gehäuse 3 mit einer Düse 5 und einer Gaszufuhr 7· In dem. Gehäuse 3 ist ein Kontaktrohr 9 angeordnet, das für die übertragung des Stromes auf einen niederzuschmelzenden Schweissdraht 11 und zum Führen dieses Drahtes dient. Das Kontaktrohr 9 ist mittels eines Isolierringes 13 gegen das Gehäuse 3 isoliert. Die Düse 5 besteht aus einem zentralen Elektrodenring 15» der mit einer Plasmaöffnung 16 versehen ist und als nicht-abschmelzende EIe ktx-ode

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für einen Plasmabogen dient, aus einem Träger 17) der als Yärmesenke dient, und aus einer Anzahl radialer, gegebenenfalls gleichmässig über den Umfang des Elektrodenringes I5 sternförmig verteilter Rippen 19> die den Elektrodenring I5 mit dem Träger 17 verbinden.

Der Träger 17 ist mittels einer Schraubenverbindung 21 mechanisch, thermisch und elektrisch mit dem Gehäuse 3 verbunden. Die Düse ist von einem im wesentlichen zylindrischen Gasleiter 23 timgeben, der mittels eines Kunststoffringes 25 gegen das Gehäuse 3 isoliert ist und den Träger 17 auf Abstand umgibt. Zwischen dem Gasleiter 23 und dem Träger 17 ist ein Kühlwassermantel 27 gebildet, der mit Hilfe·von Abdichtungsringen 29 abgedichtet ist, die zugleich für die elektrische Isolierung des Gasleiters 23 sorgen. Der Kühlwassermantel 27 steht mit nicht dargestellten Anschlüssen für die Zu- und Abfuhr von Kühlwasser in Verbindung. Der Gasleiter 23 weist ein kegelstumpfförmiges Ende .31 mit einer Ausströmungsöffnung 32 auf, das, in axialer Richtung gesehen, bis jenseits des Elektrodenringes 15 reicht. Der Schweissdraht 11 wird mit Hilfe von Transportrollen 33 zugeführt, die von einem Motor 35 mit veränderbarer Geschwindigkeit angetrieben werden. Das Kontaktrohr 9 ist mit einer Anschlussklemme 37 für den elektrischen Anschluss an eine der Klemmen einer ersten Speisequelle 39 versehen, deren andere Klemme an ein Werkstück ¥ angeschlossen ist.

Der Elektrodenring I5 ist mittels einer Anschlussklemme 4i auf dem Gehäuse 3 an eine der Klemmen einer zweiten Speisequelle ^3 angeschlossen, deren andere Klemme ebenfalls an das Werk-

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stück ¥ angeschlossen ist. .

Zum Schweissen des Werkstücks ¥ wird über die

Gaszufuhr 7 ein Gasstrom G zugeführt, der durch das Gehäuse in Richtung der Düse 5 fliesst. Dann wird ein Schweissdraht 11 zugeführt und ein MIG-Bogen M zwischen dem Schweissdraht 11 und dem Werkstück ¥ gezündet, z.B. dadurch, dass der Schweissdraht mit dem Werkstück in Berührung gebracht wird. Ein Plasmabogen zwischen dem Elektrodenring 15 und dem Werkstück ¥ wird spontan von dem MXG-Bogen zum Zünden gebracht. In der Düse 5 wird der Gasstrom G von dem Elektrodenring 15 und den Rippen 19 in zwei Teilströme aufgespalten, und zwar in eine mittlere Gassäule, die nach Zündung des Plasmabogens zwischen dem Elektrodenring 15 und dem Werkstück W ionisiert wird und das Gasplasma P bilden wird, und in einen die zwischen den Rippen 19 vorhandenen Offnungen 20 durchfliessenden, das Gasplasma P umhüllenden Mantel S aus kaltem nicht-ionisiertem Schutzgas. Die Rippen 19 über die der Strom dem Elektrodenr.ing 15 zugeführt wird, leiten zugleich die Wärme von dem Elektrodenring 15 zu dem Träger 17 ab, der als Wärmesenke dient.

Nach der Erfindung ist der freie Querschnitt

der Ausströmungsöffnung 32 kleiner als der Gesamtquerschnitt der Durchflusskanäle 2Ö und der Plasmaöffnung 16. Vorzugs-. weise ist der Querschnitt der Ausströmungsöffnung 32 gleich oder kleiner als der Querschnitt der Plasmaöffnung.

Bei Versuchen, die mit einem Schweissbreimer, bei dem die Ausströmungsöffnung und die Plasmaöffnung einen kreisförmigen Querschnitt aufwiesen, durchgeführt wurden, wobei die obengenannten Verhältnisse berücksichtigt

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wurden, wurden sehr günstige Ergebnisse mit Durchmessern der Plasmaöffnung und der Ausströmungsöffnung zwischen 6 mm und 12 mm erzielt; zum Schweissen von Al und Al-Legierungen wurden als Gas Argon und Gemische von Argon mit Helium verwendet, während zum Schweissen von Stahl Gemische von Argon mit C0„ oder mit Sauerstoff verwendet wurden; die zugeführten Gasmengen variierten von 15 bis kO l/min.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

ι 1.Verfahren zum Lichtbogenschweissen, bei dem zwischen einer abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein MIG-Bogen in einem von einem Schutzgas umhüllten Gasplasma aufrechterhalten wird, das von einem Plasmabogen zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück erzeugt wird, wobei als Plasmagas und als Schutzgas ein Gas gleicher Zusammensetzung verwendet wird, das als gemeinsamer Gasstrom zugeführt wird, der in Höhe der nicht— abschmelzenden Elektrode in eine Säule von Plasmagas und in einen Mantel von Schutzgas aufgespalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gasplasmas durch Einschnürung des Schutzgases und somit des Gasplasmas stromabwärts der nicht-abschmelzenden Elektrode erhöht wird.

2. Werkstück, das mit dem Verfahren nach Anspruch geschweisst wird.

3· Schwelssbrenner zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, der ein Gehäuse, eine Düse mit einer Plasmaöffnung, eine Gaszufuhr·, ein Kontaktrohr im Gehäuse und einen mit einer Ausströmungsöffnung versehenen Gasleiter enthält, wobei die Düse einen zentralen Elektrodenring auf Aireist, der mittels radialer Durchflusskanäle begrenzender Rippen mit dem Gehäuse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt der Ausströmungs-' öffnung des Gasleiters (23). kleiner als der Gesamtqtierschnitt der Durchflusskanäle (20) und der Plasmaöffnung (16) in der Düse (5) ist.

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h. Schweissbrenner nach. Anspruch. 3» dadurch

gekennzeichnet, dass das Verhältnis des freien Querschnitts der Ausströmungsöffnung (32) zu dem gesamten freien Querschnitt der Piasinaöffnung (i6) und der Durchflusskanäle (20) zwischen 1 : 1,3 und 1 : h liegt.

5· Schweissbrenner nach Anspruch 3 oder k, dadurch

gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt der Ausströmungsöffnung (32) gleich oder kleiner als der Querschnitt der Plasmaöffnung (16) ist.

6. Schweissbrenner nach Anspruch 5> bei dem die Plasmaöffnung und die Ausströmungsöffnung einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmungsöffnung (32) und die Plasmaöffnung (ΐβ) einen'Durchmesser von mindestens 6 mm und höchstens 12 mm

5 aufweisen.

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