DE2816146C2

DE2816146C2 - Verfahren und Schweißbrenner zum Lichtbogenschweißen

Info

Publication number: DE2816146C2
Application number: DE2816146A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Willem Eindhoven Tichelaar; Gerardus Antonius Maria Willems
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-04-26
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1984-10-31
Also published as: NO781425L; BE866304A; JPS5916549B2; NO150347C; SE7804621L; IT1095209B; IT7822615A0; AU512884B2; NO150347B; NL7704527A; SE442095B; US4234778A; FI781240A; JPS53133549A; US4321454A; FR2388628B1; ES469069A1; DE2816146A1; GB1556145A; BR7802520A

Description

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 «in Gas gleicher Zusammensetzung verwendet wird, das ;ils gemeinsamer Gasstrom zugeführt wird, der in I lohe der nicht-iibschmel/cndcn Elektrode in eine Säule von l'lasmagas und einen Mantel von Schutzgas aufgespalten wird.

Ein derartiges Verfahren ist bereits in der älteren nicht vorveröffentlichten DE-OS 27 21 099 der Anmclderin bpschrieben. Das letztere Verfahren bezweckt, eine Verbesserung des aus der DE-OS 24 49 795 bekann

ten Schweißverfahrens zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schweißverfahren der eingangs genannten Art die Abschmelzgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode zu erhöhen, das Aufschmelzen des Werkstücks sowie die Tropfenabtrennung von der abschmelzenden Elektrode zu verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten dieses Schvreißverfahrens zu erweitern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dit 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 Plasmasäuie getrieten und wird dort erhitzt, so daß es expandiert Dies hat zur Folge daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gaspiasmas 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 naher eingegangen.

Die Übergangsstromstärke des Schweißstroms durch die abschmelzende Elektrode, bei der der Werkstoffübergang von einem tropfenförmigen Ln einen axialen sprühregenartigen überwechselt, wird erheblich herabgesetzt, z. B. von 160 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 Schwei-Ben in nicht horizontaler »Zwangslage« von besonderer Bedeutung ist; z. B. darf beim Schweißen senkrecht angeordneter Platten der Schweißstrom durch die abschmelzende Elektrode nicht zu hoch sein, weii sonst das Schweißbad zu heiß und zn groß vird und wegfließt.

Die Tropfen werden kürzer erhitzt und die abschmelzende Elektrode schmilzt schnellet ab infolge der Tatsache, daß die Energie, die sonst eine Überhitzung herbeiführt, nun zu einem größeren Teil zum Schmelzen der abschmelzenden Elektrode benutzt wird. Zum Beispiel ist beim Verschweißen von Al-Draht mit dem genannten bereits bekannten Verfahren die Überhitzung sehr groß; bei einer Stromstärke durch die abschmelzende Elektrode von 160A wurde eine Tropfentemperatur von 1700⁰C gemessen, was eine Überhitzung von mehr

so als 1000⁰C bedeutet. Bei Versuchen mit dem Verfahren nach der Erfindung wurde in bezug auf das bekannte '.'erfahren eine Erhöhung der Abschmelzgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode von 40% pro Ampere, von der Stromquelle für die abschmelzende Elektrode geliefert, festgestellt. Beim Schweißen von Aluminiumwerkstücken ist eine verhältnismäßig niedrige Temperatur der Tropfen auch noch besonders günstig, weil dann weniger Wasserstoff aus der den Schweißbogen umgebenden Atmosphäre aufgenommen wird, so

wi daß in be/.ug auf das bereits genannte bekannte Verfahren weniger Poren in der Schweiße entstehen werden.

Aus Obenstehendem wird klar sein, duß das Verfahren nach der Erfindung in bezug auf das bekannte Verfahren und abhängig von den praktischen Anforderun-

h5 gen die folgenden Möglichkeiten bietet:

Erhöhung der Abschmelzgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode bei einem vorgegebenen Schweißsirom. so daß eine Schweißnut bei gleicher

Wärmeeinführung 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 Schweißbades 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 Vergrößerung der Wärmeübertragung dadurch statt, daß das flüssige Material von dem Gasplasma weggeblasen wird, so daß der nicht geschmolzene Boden des Schmelzbades frei zu liegen kommt. Zu einem anderen Teil wird die Wärmeübertragung von dem schnell strömenden Gasplasma aus größer sein als von einem langsamer strömenden Gas. Dies hat zur Folge, daß ein tieferer Einbrand in das Werkstück erhalten wird, was zur Vermeidung der sogenannten Anschmelzfehler günstig ist.

Weiter hat sich herausgestellt, daß trotz der Einschnürung des Schutzgasmantels der Schutz der Plasmasäulc 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 Schweiöbades vor Zutritt von Luft erhalten wird, der sich in der Praxis als genügend erwiesen hat Zum Schweißen anderer Materialien kann gegebenenfalls ein zusätzlicher 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 Aufschireizen 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 45 410 bekannt ist. Dabei findet die Einschnürung des 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.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschweißte Werkstücke zeichnen sich durch eine verhältnismäßig schmale Schweißraupe, durch einen verhältnismäßig tiefen Einbrand und durch Porenfreiheit der Schweiße aus.

Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Schweißbrenner zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindune. 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 aufweist, der mittels radialer Durchflußkanä-Ie begrenzender Rippen mit dem Gehäuse verbunden ist Eine derartige Schweißbrennerkonstruktion ist bereits in der vorerwähnten DE-OS 27 21 099 beschrieben. Dieser Schweißbrenner ist zum Zwecke der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt der Ausströmungsöffnung des Gasleiters kleiner als der Gesamtquerschnitt der Durchflußkanäie und der Plasmaöffnung in der Düse ist. Mil 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 Handschweißb·Miner.

Mit diesem Schweißbrenner ist zur Er7^:eiung 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 das Verhältnis des freien Querschnitts der Ausströmungsöffnung zu dem gesamten freien Querschnitt der Plasmaöffnung und der Durchflußkanäle zwischen 1 :13 und 1 :4 liegt, wird unter allen Umständen ein Einschnürungseffekt und somit eine Beschleunigung des Gasplasmas erhalten.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform des Schweißbrenners ist dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt der Ausströmungsöffnung gleich oder kleiner als der Querschnitt der Plasmaöffuurg 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 beeinflussen.

Bei Anwendung des aus der DE-OS 24 49 795 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, 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 an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Schweißbrenners näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen Schweißbrenner im Längsschnitt, und

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Schweißbrenner längs der Linie 11-11 in F i g. 1.

Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Schweißbrenner 1 enthält ein Gehäuse 3 mit einer Düse 3 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

b5 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-ab-

schmelzende Elektrode für einen Plasmabogen dieni, aus einem Träger 17, der als Wärmesenke dient, und aus einer Anzahl radialer, gegebenenfalls gleichmäßig über den Umfang des Elektrodenringes 15 sternförmig verteilter Rippen 19, die den Elektrodenring 15 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 umgeben, 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 Gasieiter 23 weist ein kegeistumpfförmiges Ende JI mit einer Ausströmöffnung 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 W angeschlossen ist. Der Elektrodenring 15 ist mittels einer Anschlußklemme 41 auf dem Gehäuse 3 an eine der Klemmen einer l weiten Speisequelle 43 angeschlossen, deren andere Klemme ebenfalls an das Werkstück Wangeschlossen ist.

Zum Schweißen des Werkstücks W wird über die Gaszufuhr 7 ein Gasstrom G zugeführt, der durch das Gehäuse 3 in Richtung der Düse 5 fließt. Dann wird ein Schweißdraht 11 zugeführt und ein MIG-Bogen Mzwisehen dem Schweißdraht Ii und dem "werkstück ir gezündet, z. B. dadurch, daß der Schweißdraht mit dem Werkstück in Berührung gebracht wird. Ein Plasmabogen zwischen dem Elektrodenring 15 und dem Werkstück W wird spontan von dem MIG-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, in einen die zwischen den Rippen 19 vorhandenen öffnungen 20 durchfließenden, das Gasplasma Pumhüllenden Mantel Saus kaltem nicht-ionisiertem Schutzgas. Die Rippen 19 über die der Strom dem Elektrodenring 15 zugeführt wird, leiten zugleich die Wärme von dem Elektrodenring 15 zu dem Träger 17 ab, der ais Wärmesenke dient

Der freie Querschnitt der Ausströmungsöffnung 32 ist kleiner als der Gesamtquerschnitt der Durchflußkanäie 20 und der Plasmaoffnung 16. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Ausströmungsöffnung 32 gleich oder kleiner als der Querschnitt der Plasmaoffnung.

Bei Versuchen, die mit einem Schweißbrenner, bei dem die Ausströmungsöffnung und die Piasmaöffnung einen kreisförmigen Querschnitt aufwiesen, durchgeführt wurden, wobei die obengenannten Verhältnisse berücksichtigt wurden, wurden sehr günstige Ergebnisse mit Durchmessern der Plasmaöffnung und der Ausströmungsöffnung zwischen 6 mm und i2mm erzieit: 6·> zum Schweißen von Al und AI-Legierungen wurden als Gas Argon und Gemische von Argon mit Helium verwendet, während zum Schweißen von Stahl Gemische

von Argon mit CO2 oder mit Sauerstoff verwendet wurden; die zugeführten Gasmengen variierten von 15 bis 40 l/min.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 wir«.

2. Schweißbrenner 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 aufweist, der mittels radialer Durchflußkanäle begrenzender Rippen mit dem Gehäuse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt der Ausströmungsöffnung (32) des Gasleiters (23) kleiner als der Gesamu.uerschnitt der Durchflußkanäle (20) und der Plasmaöffnung (16) in der Düse (5) ist.

3. Schweißbrenner nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Ves-hältris des freien Querschnitts der Ausströmungsöffnung (32) zu dem gesamten freien Querschnitt der Plasmaöffnung (16) und der Durchflußkanäle (20) zwischen 1 : 1,3 und 1 :4 liegt.

4. Schweißbrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet. da3 der freie Querschnitt der Ausströmungsöffnung (32) gleich oder kleiner als der Querschnitt der Plasmaöffnung (16) ist.

5. Schweißbrenner nach Anspruch 4, bei dem die Plasmaöffnung und die Ausströmöffnung einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmiingsöffnung (32) und die Plasmaöffnung (16) einen Durchmesser von mindestens 6 mm und höchstens 12 mm aufweisen.