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Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen
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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.
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Die Überlagerung von derartigen Lichtbögen aus zwei getrennt wirkenden
Stromkreissystemen werden beispielsweise beim Plasma-MIG und dem Plasma-MIG-Düsenverfahren
angewandt.
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Das Plasma-MIG-Sch'.ieißverfahren 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.
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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.
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Der Plasmalichtbogen dient auch der Vorreinigung der zu schweißenden
Oberfläche. Beim Schweißen von Aluminiumwerkstücken befreit er den Schweißbereich
von Aluminiumoxiden und -hydroxiden und Wasserdämpfen.
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Das Plasma-MIG-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 Hpchfrequenzspannung
erforderlich ist.
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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.
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Bei diesem Plasma-#IG-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 fkihrt. 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.
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Der Draht hat nämlich bei einer etwa gleichmäßigen äußeren, geschlossenen
Lichtbogenhülle eine mittlere Abschmelzposition gegenüber dem Werkstück.
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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.
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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,
Die
Drahtabschmelzposition wird bei dem bekannten Verfahren also in einer unregelmäßigen
Weise nach oben bzw. nach unten gezwungen. Dieses Wechselspiel kann während eines
schweiß vorganges öfters auftreten und führt zu ungleichmäßigen Schweißnähten mit
fein- bis grobschuppigen Erstarrungslinien Ein häufiges Nachregulieren des Drahtvorschubaggregates
wäre erforderlich. Qualitätsschwankungen, insbesondere hinsichtlich der Einbrandverhältnisse,
sind dabei zwangsläufige Erscheinungen.
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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 Die Aufgabe ist
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zweite Lichtbogen in den ersten Lichtbogen
wenigstens zum Teil permanent schräg einflutet.
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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.
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Durch Schrägstellung des Plasmalichtbogens wird ein Plasmafeld mit
einer heißen Zone, nämlich der Oberschneidungst bereich 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.
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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.
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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.
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Durch die relativ kleine Elektrodenfläche der nicht abschmelzenden
Elektrode ist der Stromlaufweg eindeutig definiert und es kommt zu einer er#nschten
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 Vorschubunregelmäßigkeiten
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.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt.
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In Fig. 1 ist eine Schweißanordnung gezeigt, bei der zwei Platten
10, 11 in Richtung der Pfeile 12 mit einem Doppellichtbogenschweißgerät 13 zusammengeschweißt
werden.
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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.
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26 an je eine Stromquelle 27 bzw. 27' angeschlossen. Die nicht abschmelzende
Elektrode 20 ist in Schweißrichtung 12 vor der Drahtelektrode angeordnet.
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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.
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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.
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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.
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Durch Überlagerung des Plasmalichtbogens 31 mit dem Hauntlichtbogen
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.
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Am Werkstück 10, 11 trifft eine Heißzone a im Hauptlichtt bogenfeld
34 auf, die für den Schweißvorgang selber bzw die Aufschmelzung des Schweißbades
36 verantwortlich ist.
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Durch den gleichmäßigen Elektrodenabstand ist auch die Gewähr einer
gleichmäßigen Temperatur und damit einer einwandfreien Schweißnaht gegeben.
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Bei der Anordnung der Wolframnadel 20 in Schweißrichtung vor dem Schweißdraht
19, erhält man eine Vorwärmzone b, die zusätzlich zum Reinigen des Werkstückes und
Entfernen von Wasserstoffen dient. Eine geringe Nachwärmzone c ist ebenfalls enthalten
Bedarf ein Schweißprozeß für bestimmte Erstarrungsbedingungen des Schwei#ßbades
36 einer Nachwärmung, so kann die Wolframnadel 20 auch hinter dem Schweißdraht 19
angeordnet werden.
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Schließlich ist das Gerät mit einer Schutzgasabdeckung 37 versehen,
die konzentrisch mit Abstand den Schweißkopf 15 umgibt und zur Führung eines Schutzgases,
wie Argon, Helium, dient.
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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.