DE2831701A1

DE2831701A1 - MIG arc welding method - uses plasma arc streaming at least partly permanently inclined into ordinary arc

Info

Publication number: DE2831701A1
Application number: DE19782831701
Authority: DE
Inventors: Leonhard Kaiser; Alfred Russold
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1978-07-19
Filing date: 1978-07-19
Publication date: 1980-01-31
Also published as: DE2831701C2

Abstract

Method and appts for metal inert gas welding in described which uses an ordinary are between a consumable electrode and the workpiece and a plasma are between a non-consumable electrode and the workpiece. Specifically the plasma are streams at least partly permanently inclined into the ordinary are formed between the consumable electrode and workpiece. The appts. uses a welding head with an annular cylinder concentric to the non-consumable electrode which is close to the consumable electrode and at the same height. The cylinder carries the non-consumable electrode which is pref. made of W in the form of a wire or needle and which is positioned in front of the consumable electrode in the welding direction. Uniform welding is achieved producing a finely rippled seam with uniform penetration and no pore formation.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Method and device for electrical

Lichtbogenschweißen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschweißen mit einem ersten Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück sowie einem zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück gezündeten Plasmalichtbogen. Arc welding The invention relates to a method for electric arc welding with a first arc between a consumable electrode and a workpiece and one between a non-consumable Electrode and the workpiece ignited plasma arc.

Die Überlagerung von derartigen Lichtbögen aus zwei getrennt wirkenden Stromkreissystemen werden beispielsweise beim Plasma-MIG und dem Plasma-MIG-Düsenverfahren angewandt.The superposition of such arcs from two separately acting Circuit systems are used, for example, in the plasma MIG and the plasma MIG nozzle process applied.

Das Plasma-MIG-Schweißverfahren besteht darin, daß zwischen dem Werkstück und einem die abschmelzende Elektrode bildenden Schweißdraht ein Lichtbogen unterhalten wird, der von einem Plasmalichtbogen umgeben ist. Das Plasmagas, das thermisch ionisiertes Argon, Helium, Kohlendioxid sein kann, wird durch eine den Schweißdraht umgebende, wassergekühlte Düse zugeführt und von einer in der Düse befindlichen Wolfram-Elektrode gezündet.The plasma MIG welding process consists in that between the workpiece and maintaining an arc on a welding wire forming the consumable electrode surrounded by a plasma arc. The plasma gas, the thermally ionized Argon, helium, carbon dioxide, is generated by a surrounding welding wire, water-cooled Nozzle fed and from one located in the nozzle Tungsten electrode ignited.

Durch die Kombination des Plasmalichtbogens mit dem normalen Lichtbogen ist eine bessere Beherrschung des Werkstoffüberganges und der Wärmeübertragung an das Werkstück möglich, womit eine höhere Schweißgeschwindigkeit erreicht werden kann.By combining the plasma arc with the normal arc is a better control of the material transfer and the heat transfer the workpiece possible, with which a higher welding speed can be achieved can.

Der Plasmalichtbogen dient auch der Vorreinigung der zu schweißenden Oberfläche. Beim Schweißen von Aluminiumwerkstücken befreit er den Schweißbereich von Aluminiumoxiden und -hydroxiden und Wasserdämpfen.The plasma arc is also used to pre-clean the parts to be welded Surface. When welding aluminum workpieces, it frees the welding area of aluminum oxides and hydroxides and water vapors.

Das Plasma-HIG-Verfahren mit Wolframnadeln ist insbesondere durch den geringeren Einbrand für Auftragsschweißungen von Vorteil. Nachteilig ist dieses Schweißverfahren jedoch insofern, als für die Zündung des Plasmalichtbogens aufgrund der vom Werkstück entfernt angeordneten Wolfram-Elektrode eine Hochfrequenzspannung erforderlich ist.The plasma HIG process with tungsten needles is particularly through the lower penetration for build-up welds is an advantage. This is a disadvantage Welding process, however, to the extent that it is due to the ignition of the plasma arc the tungsten electrode, which is located away from the workpiece, generates a high-frequency voltage is required.

Zur Behebung dieses Nachteiles wurde das Plasma-MIG-Düsenverfahren entwickelt, das die die abschmelzende Drahtelektrode konzentrisch umgebende Düse als Ringelektrode für das Plasmagas verwendet. Hierdurch vereinfacht und verkleinert sich die Schweißkopfkonstruktion durch das Entfallen der Wolframelektrode. Außerdem ist für den Plasmalichtbogenkreis lediglich eine einfache Gleich- oder Wechselstrom-Spannungsquelle von höchstens 200V erforderlich. Diese Ausführung wird bevorzugt zum Stumpf- und Kehlnahtschweißen angewandt.The plasma MIG nozzle process was used to remedy this disadvantage developed, the nozzle concentrically surrounding the melting wire electrode used as a ring electrode for the plasma gas. This simplifies and reduces the size the welding head construction due to the omission of the tungsten electrode. aside from that is only a simple direct or alternating current voltage source for the plasma arc circuit from 200V maximum required. This design is preferred for butt and fillet weld welding applied.

Bei diesem Plasma-MIG-Düsen-Schweißverfahren wird jedoch eine ausgesprochen starke Labilität des ebenfalls den Schweißdraht-Lichtbogen umgebenden Lichtbogens beobachtet, was zu laufenden Verschiebungen der Drahtabschmelzposition am inneren Lichtbogen führt. Diese Labilität wird, wie Beobachtungen vermuten lassen, durch laufende geometrische Versetzungen des Lichtbogens an der nichtabschmelzenden Ringelektrode verursacht, die eine stark unterschiedliche Wärmebeaufschlagung des Drahtes bewirkt.In this plasma MIG nozzle welding process, however, one is pronounced strong instability of the arc surrounding the welding wire arc observed, leading to ongoing shifts in the wire melting position on the inside Arc leads. This instability is, as observations suggest, through ongoing geometric displacements of the arc on the non-melting ring electrode which causes a very different amount of heat to be applied to the wire.

Der Draht hat nämlich bei einer etwa gleichmäßigen äußeren, geschlossenen Lichtbogenhülle eine mittlere Abschmelzposition gegenüber dem Werkstück.This is because the wire has an approximately uniform outer, closed Arc envelope has a central melt-off position relative to the workpiece.

Durch Abbrand und Aufspritzen von Schweißbadpartikeln an die Ringelektrode erhält jedoch die Elektrode sehr rasch eine unregelmäßige Kante, deren Kontur zudem beim Schweißen ständig geändert wird. Dieses führt zur Konzentration der elektrischen Feldlinien an vereinzelten Stellen bzw. an den Stellen der Ringelektrode die gerade eine Anhebung der Kontur aufweisen.By burning off and spraying weld pool particles onto the ring electrode however, the electrode very quickly receives an irregular edge, along with its contour is constantly changing during welding. This leads to the concentration of the electrical Field lines at isolated points or at the points of the ring electrode are straight have an elevation of the contour.

Das homogene ringsymmetrische Feld ist damit gestört und es erfolgt eine mehr oder weniger starke Umlenkung der Plasmalichtbögen zum Hauptlichtbogen hin, so daß das Plasmafeld das Temperaturfeld um den Schweißdraht ändert und damit zur unregelmäßigen Abschmelzung des Schweißdrahtes beiträgt.The homogeneous ring-symmetrical field is thus disturbed and it takes place a more or less strong deflection of the plasma arcs to the main arc so that the plasma field changes the temperature field around the welding wire and thus contributes to the irregular melting of the welding wire.

Die Drahtabschmelzposition wird bei dem bekannten Verfahren also in einer unregelmäßigen Weise nach oben bzw. nach unten gezwungen. Dieses Wechselspiel kann während eines Schweißvorganges öfters auftreten und führt zu ungleichmäßigen Schweißnähten mit fein- bis grobschuppigen Erstarrungslinien.The wire melting position is thus in the known method in forced up or down in an irregular manner. This interplay can occur frequently during a welding process and leads to uneven welding Weld seams with fine to coarsely flaky lines of solidification.

Ein häufiges Nachregulieren des Drahtvorschubaggregates wäre erforderlich. Qualitätsschwankungen, insbesondere hinsichtlich der Einbrandverhältnisse, sind dabei zwangsläufige Erscheinungen.Frequent readjustment of the wire feed unit would be necessary. Quality fluctuations, especially with regard to the penetration ratios, are inevitable phenomena.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem, unter Beibehaltung der Vorteile der Schweißverfahren mit Doppellichtbögen, ein gleichmäßiger Schweißvorgang möglich ist.The invention is based on the object of a method of the above called type to create with the, while maintaining the advantages of the welding process with double arcs, an even welding process is possible.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zweite Lichtbogen in den ersten Lichtbogen wenigstens zum Teil permanent schräg einflutet.The object is achieved according to the invention in that the second arc flooded in the first arc at least partially permanently at an angle.

Durch die Überschneidung der beiden Lichtbögen bildet sich eine geometrisch definierte und stabile Hochtemperaturzone, die zwangsweise die Längsachse des Schweißdrahtes bzw. der abschmelzenden Elektrode schneidet. Der von einem Vorschubaggregat kontinuierlich nachgeschobene Schweißdraht wird nunmehr beim Eintauchen in diese Hochtemperaturzone an deren Randgebiet abgeschmolzen. Durch die Stabilität auch dieses Randgebietes erfolgt die Abschmelzung stets im gleichen Abstand zum Werkstück und es wird ein hoher Selbstregeleffekt herbeigeführt, der sogar Unregelmäßigkeiten im Drahtvorschub ausgleichen kann.The intersection of the two arcs creates a geometrical one defined and stable high temperature zone, which inevitably forms the longitudinal axis of the welding wire or the consumable electrode cuts. That of a feed unit continuously The welding wire pushed afterwards is now when immersed in this high-temperature zone melted off at their edge. Due to the stability of this peripheral area too the melting always takes place in same distance to the workpiece and a high self-regulating effect is brought about, which even has irregularities can compensate in the wire feed.

Durch Schrägstellung des Plasmalichtbogens wird ein Plasmafeld mit einer heißen Zone, nämlich der Überschneidungsbereich beider Lichtbögen,-für den eigentlichen Abschmelzvorgang und einer warmen Zone außerhalb des Überschneidungsbereiches, mit der auch die Effekte des Vorwärmens, Nachwärmens und Reinigens der Oberfläche bewirkt wird, erreicht.By tilting the plasma arc, a plasma field is created with a hot zone, namely the overlap area of the two arcs, -for the actual melting process and a warm zone outside the overlap area, with which also the effects of preheating, reheating and cleaning the surface is effected, achieved.

Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens, die sich dadurch kennzeichnet, daß sie neben der abschmelzenden Drahtelektrode#mindestens eine nicht abschmelzende Hilfselektrode für den Plasmalichtbogen hat, die mit Abstand neben und im wesentlichen auf der Höhe der Drahtelektrode angeordnet ist. Vorzugsweise hat die-nicht abschmelzende Elektrode eine drahtförmige Gestalt, um einen geometrisch definierten und unveränderlichen Plasmalichtbogen zu erzeugen.The invention extends to an apparatus for implementation of the welding process according to the invention, which is characterized in that it In addition to the melting wire electrode #, at least one auxiliary electrode that does not melt for the plasma arc that is spaced apart from and essentially on the Height of the wire electrode is arranged. Preferably the-has non-consumable Electrode has a wire-like shape, around a geometrically defined and immutable Generate plasma arc.

Zwischen den beiden nebeneinander angeordneten Elektroden und dem Werkstück bildet sich jeweils nach Einschalten der entsprechenden Zündströme ein Lichtbogen bzw. ein Plasmalichtbogen. Durch Einflüsse von elektrischen und magnetischen Kräften des von der abschmelzenden Elektrode erzeugten Feldes wird zusätzlich zum direkten Plasma-Elektronenstrom zwischen der Plasmaelektrode und dem Werkstück ein über das Lichtbogenfeld der abschmelzenden Elektrode führender Elektronenstrom erzeugt. Der Plasmastrom fächert sich hierdurch, ausgehend von der nicht abschmelzenden Elektrode, stärker auf und flutet dabei in den ersten Lichtbogen unter Bildung einer hochtemperierten Überschneidungszone ein, die die Abschmelzung des Schweißdrahtes bewirkt.Between the two electrodes arranged next to one another and the Workpiece forms after switching on the corresponding ignition currents Arc or a plasma arc. Due to the influence of electrical and magnetic Forces of the field generated by the consumable electrode will in addition to the direct plasma electron flow between the plasma electrode and The workpiece is guided over the arc field of the consumable electrode Electron stream generated. The plasma flow fans out, starting from the non-melting electrode, stronger and floods in the first arc with the formation of a high-temperature overlap zone, which causes the melting of the welding wire causes.

Durch die relativ kleine Elektrodenfläche der nicht abschmelzenden Elektrode ist der Stromlaufweg eindeutig definiert und es kommt zu einer erwünschten stabilen und permanenten Schrägdurchflutung. Damit stellt sich eine gleichbleibende Abschmelzhöhe und eine parallel zum Einstrahlungswinkel der angrenzenden Strombahnen verlaufende Abschmelzkante des Drahtes ein. Der Draht schmilzt unabhängig von Vorschub- -unregelmäßigkeiten stets in dieser Lage ab, so daß die Heißzone gleichzeitig einen hohen Selbstregeleffekt bewirkt. Hiermit ergeben sich viele weitere Vorteile, wie z.B., daß ein häufiges Nachregulieren eines Vorschubaggregates für die Drahtelektrode entfällt und daß die Schweißnaht gleichmäßig fein geschuppt ausgebildet werden kann, wobei die Einbrandverhältnisse am Werkstück weitgehend gleichmäßig und ohne Porenbildung bleiben.Due to the relatively small electrode area of the non-melting Electrode, the current path is clearly defined and a desired one occurs stable and permanent inclined flooding. This creates a constant Deposition height and one parallel to the angle of incidence of the adjacent current paths running melting edge of the wire. The wire melts regardless of the feed -Irregularities always in this position, so that the hot zone at the same time a causes a high self-regulating effect. This results in many other advantages, such as E.g. that a frequent readjustment of a feed unit for the wire electrode omitted and that the weld seam can be made evenly finely flaked, whereby the penetration conditions on the workpiece are largely uniform and without pore formation stay.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.An exemplary embodiment according to the invention is shown schematically in the drawing shown.

In Fig. 1 ist eine Schweißanordnung gezeigt, bei der zwei Platten 10, 11 in Richtung der Pfeile 12 mit einem Doppellichtbogenschweißgerät 13 zusammengeschweißt werden.In Fig. 1 a welding arrangement is shown in which two plates 10, 11 welded together in the direction of arrows 12 with a double arc welder 13 will.

Das Gerät 13 besteht aus einem Schweißkopf 15, der an einem Gehäuse 18 befestigt ist und eine abschmelzende Drahtelektorde 19 und eine nicht abschmelzende Elektrode 20 aus Wolfram trägt. Das Gehäuse enthält ein nicht dargestelltes Vorschubaggregat für den Schweißdraht sowie weitere erforderliche Aggregate. Die Elektroden sind jeweils über Leitungen 25 bzw.The device 13 consists of a welding head 15 which is attached to a housing 18 is attached and a consumable wire electrode 19 and a non-consumable Electrode 20 made of tungsten carries. The housing contains a feed unit (not shown) for the welding wire and other necessary units. The electrodes are each via lines 25 or

26 an je eine Stromquelle 27 bzw. 27' angeschlossen. Die nicht abschmelzende Elektrode 20 ist in Schweißrichtung 12 vor der Drahtelektrode angeordnet.26 each connected to a power source 27 or 27 '. The one that does not melt away Electrode 20 is arranged in front of the wire electrode in welding direction 12.

Der Schweißkopf, der in Fig. 2 im Schnitt näher dargestellt ist, besteht aus einem den Schweißdraht 19 konzentrisch aufnehmenden Ringzylinder 29, der die nadel- oder drahtförmige Wolframelektrode 20 trägt und einen ringzylindrischen Hohlraum 28 für die Plasmagas-Zuführung einschließt.The welding head, which is shown in more detail in section in FIG. 2, consists from an annular cylinder 29 concentrically receiving the welding wire 19, which the needle-shaped or wire-shaped tungsten electrode 20 carries and an annular cylindrical cavity 28 for the plasma gas supply.

In den bisher bekannten Geräten bildet der vorzugsweise aus Kupfer hergestellte Ringzylinder die Elektrode für den Plasmalichtbogen. Sie erzeugt im störungsfreien Zustand einen ringförmigen Lichtbogen um den Hauptlichtbogen der mittleren Drahtelektrode. In der Praxis wird jedoch der Lichtbogenkreis mehrmals unterbrochen, die Feldlinien konzentrieren sich auf Kreisabschnitte und brennen dort durch die erhöhte Temperatur die Ringelektrode ein. Das Aufspritzen von Schweißbadmaterial und das Abbrennen bewirken rasch eine unregelmäßige und damit eine unbrauchbare Elektrodenkante.In the previously known devices, the is preferably made of copper manufactured ring cylinder the electrode for the plasma arc. It creates in a ring-shaped arc around the main arc of the fault-free state middle Wire electrode. In practice, however, the arc circuit is interrupted several times, the field lines concentrate on circular sections and burn through them there increased temperature on the ring electrode. The spraying of weld pool material and the burning off quickly cause an irregular and thus unusable one Electrode edge.

Durch die unterhalb des Ringzylinders hervorstehende erfindungsgemäße Elektrode 20 konzentrieren sich die elektrischen Feldlinien 31 an der Nadelelektrode, die den Plasmalichtbogen stabil in einer erwünschten Lage hält. Die von der nicht abschmelzenden Elektrode 20 und vom Schweißdraht 19 erzeugten Spannungsfelder verursachen ein Plasmalichtbogen-Feld 31, das ausgehend von der Wolframnadel 20 sich mit dem Hauptlichtbogenfeld 34 des Schweißdrahtes 19 überlagert und damit in den Hauptlichtbogen 34 schräg einflutet, wobei sich eine definierte Feldgrenze 35 bildet, die das Ende des Schweißdrahtes 19 tangiert.By protruding below the ring cylinder according to the invention Electrode 20, the electric field lines 31 concentrate on the needle electrode, which keeps the plasma arc stable in a desired position. The one that doesn't cause the melting electrode 20 and the voltage fields generated by the welding wire 19 a plasma arc field 31, starting from the tungsten needle 20 with the Main arc field 34 of the welding wire 19 superimposed and thus in the main arc 34 floods in at an angle, forming a defined field boundary 35, which is the end of the welding wire 19 is tangent.

Durch Oberlagerung des Plasmalichtbogens 31 mit dem Hauptlichtbogen 34 bildet sich eine Heißzone unterhalb des Schweißdrahtes 19, das nunmehr für die Abschmelzung des Drahtes 19 sorgt. Der Schmelzvorgang erfolgt beim Eintauchen in die Heißzone an der durch die Grenzlinien 35 gebildete Heißzonengrenze. Durch die geometrisch stabile Grenzzone 35 schmilzt der Schweißdraht im Schweißvorgang stets im gleichen Abstand zum Werkstück 10, 11. Unregelmäßigkeiten im Drahtvorschub haben somit auch keinen Einfluß auf den Elektrodenabstand zwischen dem Schweißdraht 19 und dem Werkstück 10, 11.By superimposing the plasma arc 31 with the main arc 34 forms a hot zone below the welding wire 19, which is now for the Melting of the wire 19 ensures. The melting process takes place when immersed in the hot zone at the hot zone boundary formed by the boundary lines 35. Through the geometrically stable boundary zone 35 the welding wire melts during the welding process always at the same distance from the workpiece 10, 11. Irregularities in the wire feed therefore also have no influence on the electrode spacing between the welding wire 19 and the workpiece 10, 11.

Am Werkstück 10, 11 trifft eine Heißzone a im Hauptlichtbogenfeld 34 auf, die für den Schweißvorgang selber bzw.A hot zone a strikes the workpiece 10, 11 in the main arc field 34, which are necessary for the welding process itself or

die Aufschmelzung des Schweißbades 36 verantwortlich ist.the melting of the weld pool 36 is responsible.

Durch den gleichmäßigen Elektrodenabstand ist auch die Gewähr einer gleichmäßigen Temperatur und damit einer einwandfreien Schweißnaht gegeben.The even electrode spacing also guarantees a uniform temperature and thus a perfect weld seam.

Bei der Anordnung der Wolframnadel 20 in Schweißrichtung vor dem Schweißdraht 19, erhalt man eine Vorwärmzone b, die zusätzlich zum Reinigen des Werkstückes und Entfernen von Wasserstoffen dient. Eine geringe Nachwärmzone c ist ebenfalls enthalten.With the arrangement of the tungsten needle 20 in the welding direction in front of the welding wire 19, you get a preheating zone b, which in addition to cleaning the workpiece and Removal of hydrogen is used. A small reheating zone c is also included.

Bedarf ein Schweißprozeß für bestimmte Erstarrungsbedingungen des Schweißbades 36 einer-Nachwärmung, so kann die Wolframnadel 20 auch hinter dem Schweißdraht 19 angeordnet werden.If a welding process is required for certain solidification conditions of the Welding bath 36 a reheating, so the tungsten needle 20 can also behind the welding wire 19 can be arranged.

Schließlich ist das Gerät mit einer Schutzgasabdeckung 37 vers#ehen, die konzentrisch mit Abstand den Schweißkopf 15 umgibt und zur Führung eines Schutzgases, wie Argon, Helium, dient.Finally, the device is provided with a protective gas cover 37, which surrounds the welding head 15 concentrically at a distance and for guiding a protective gas, like argon, helium, serves.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausführung ist insbesondere geeignet, um herkömmliche Schweißgeräte mit ringförmigen Hilfslichtbogen in einfacher Art auf ein Gerät gemäß der Erfindung umzuarbeiten. Es ist aber auch möglich, das Schweißgerät mit einer stiftartigen Elektrode ohne dem Ringzylinder herzustellen.The design shown in the drawing is particularly suitable around conventional welding machines with ring-shaped auxiliary arcs in a simple way to rework on a device according to the invention. But it is also possible to use the welding machine with a pen-like electrode without the ring cylinder.

Claims

Claims 1. A method for electric arc welding with a first arc between a consumable electrode and a workpiece and one ignited between a non-consumable electrode and the workpiece Plasma arc, characterized in that the plasma arc (31) in the over the consumable electrode (19) generated first arc (34) at least for Part permanently flooded in at an angle.

2. Device for performing the method according to claim 1 with a consumable first electrode, a non-consumable second electrode and a plasma gas supply, characterized in that at least one is not consumable electrode (20) is provided, which is spaced apart and substantially is arranged at the level of the first electrode (19).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the not consumable electrode is designed in the form of a wire.

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the second electrode is a tungsten needle (20).

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the tungsten needle (20) at a distance parallel to the first, designed as a wire electrode (19) Electrode is arranged.

6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that that the non-consumable electrode (20) in the welding direction (12) in front of the consumable Electrode (19) is arranged.