DE3220242C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Engspaltschweißkopf zum Metallschutzgasschweißen, bestehend aus einem Drahtvorschub­ motor, einem oszillierend pendelnden Düsenhalter mit Draht­ führungsdüse, einem Getriebegehäuse mit Pendelantrieb sowie einem Gasschutz zum Abdecken der Schweißschmelze.

Für das Engspaltschweißen werden verschiedene Methoden ange­ wandt, um einen ausreichenden Flankeneinbrand an beiden Seiten der Nahtflanken zu garantieren. Bezüglich der Verfahrensführung werden verschiedene Gruppen unterschieden:

• 1) Erfassen der Nahtflanken durch das Zwirbeldrahtverfahren mit rotierendem Lichtbogen.
• 2) Erfassen der Nahtflanken durch plastisches Verformen der Drahtelektrode: Dabei kann als Eindrahtverfahren pendelnd oder als Mehrdrahtverfahren mit jeweils nach einer Nahtseite vorgebogenen Schweißdrähten gearbeitet werden.
• 3) Erfassen der Nahtflanken durch mechanisches Führen und Aus­ lenken der Drahtelektrode im Kontaktrohr. Dabei kann mit feststehenden Düsen oder mit oszillierenden Düsen gearbeitet werden.

Aufgrund der hohen Stromstärke ist beim Zwirbeldrahtverfahren (sog. "Twist-Arc") ein Schweißen in Zwangslage nicht möglich. Werkstoffe, bei denen niedrige Streckenenergien zur Erhaltung der mechanischen Gütewerte notwendig sind, können mit diesem Verfahren nur unter der Gefahr von Flankenbindefehlern geschweißt werden.

Das Erfassen der Nahtflanke über die plastische Verformung der Drahtelektrode hat den Nachteil, daß sich die vorgebogene Richtung des Drahtendes dann verändert, wenn der Eigenspannungs­ zustand des Drahtes variiert. Eine Korrektur der voreingestell­ ten Parameter kann kurzfristig während des Schweißens nur schwer oder gar nicht durchgeführt werden, was zu Schweißfehlern führt. Außerdem verlangt diese Methode eine ständige visuelle Kontrolle des Schweißvorgangs.

Wird die Drahtelektrode durch mechanisches Führen in einem feststehenden abgewinkelten Kontaktrohr zur Fugenflanke geführt, dann ist eine exakte Fugenvorbereitung notwendig, wenn Lagen­ und Flankenbindefehler vermieden werden sollen. Wird mit winkelig geführtem Doppeldraht gearbeitet, wird wieder eine so große Schmelze erhalten, daß das Schweißen in Zwangslage eben­ falls nicht möglich ist.

Neben den drei genannten Verfahrensgruppen sind weiterhin Schweißverfahren mit oszillierenden Brennern, verbunden mit mechanisch geführter Drahtablenkung, bekannt. Dafür sind je­ weils spezifische Schweißkopfkonstruktionen notwendig.

Mit der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patent­ anmeldung P 31 36 501.9 wird eine elektrische Schweißvorrich­ tung für Schutzgas- und UP-Schweißen im Engspalt in ein- oder mehrraupigen Schweißlagen mit Hilfe einer die Abschmelzelektrode kontinuierlich zur Schweißstelle zuführende Kontaktdüse mit gebogenem Auslauf vorgeschlagen, die an eine Schweißstromquelle angeschlossen und mit Mitteln zur Ausführung einer Drehschwenk­ bewegung versehen ist, bei der die Kontaktdüse drehbar in einem zweiteiligen wassergekühlten, an die Schweißstromquelle ange­ schlossenen Schwert eingesetzt und mit einem ihre Drehschwenk­ bewegung hervorrufenden elektrischen Schrittmotor verbunden ist.

Daneben sind vom Stand der Technik eine Reihe unterschiedlich aufgebauter Schweißköpfe bekannt, welche für das Schweißen im Engspalt vorgesehen sind und bei denen üblicherweise der Schweißdraht durch einen Gasschutz zur Schweißstelle geführt wird. Den Aufbau eines solchen Gasschutzes mit Wasseranschlüssen einerseits und Gasanschlüssen andererseits zeigt im einzelnen die EP-OS 00 35 386. Der Gasschutz bildet eine langgestreckte, flache Baueinheit und kann als schwertartig bezeichnet werden. Er ist gegenüber dem im Inneren liegenden, wassergekühlten Elektrodenzuführungsrohr elektrisch isoliert.

Üblicherweise bilden aber der eigentliche Gasschutz und der Schweißkopf mit Drahtzuführungsdüse separate Baueinheiten. Aus der CH-PS 4 57 652 ist ein Engspaltkopf zum Metallschutzgas­ schweißen der eingangs genannten Art bekannt, der aus einem Drahtvorschubmotor und einem mittels eines Antriebs oszillie­ rend pendelnde Bewegungen ausführenden Elektroden-Kontaktrohr besteht. Das Schutzgas wird durch ein konzentrisch um das Kontaktrohr angeordnetes Schutzgasrohr in die Nähe des Spaltes geführt.

Weitere Einrichtungen zum Schweißen im Engspalt mit oder ohne oszillierende Bewegungen sind der US-PS 40 37 078, der US-PS 39 24 095, der US-PS 32 10 515 und der US-PS 31 23 702 ent­ nehmbar. Speziell bei der letzteren Einrichtung wird der in einem Kontaktrohr verlaufende Draht durch einen längeren schwertartigen Gasschutz zu der in einem vorgegebenen Winkel zur Achse des Kontaktrohres angebrachten Drahtführungsdüse mittels eines Drahtvorschubantriebes transportiert. Es erfolgt beim Schweißvorgang jedoch keine unmittelbare Oszillation des Drahtes in der Schweißfuge. Für die Oszillationsbewegung über die gesamte Schweißfuge sind besondere konstruktive Maßnahmen notwendig. Dabei sind üblicherweise der Gasschutz und der Schweißschaft mit Drahtvorschubmotor und Pendelantrieb potentialmäßig verbunden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen störunanfälligen Engspaltschweißkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei verbessertem Gasschutz und gedrängter Bauweise die Herstellung reproduzierbarer Schweißnähte ermög­ licht.

Die Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der mittels des Pendelantriebs um einen bestimmten Winkel um seine Längsachse hin und her drehbare Düsenhalter aus einem Kontakt­ rohr, einem Hüllrohr, einem Wasseranschlußstück und einem Düsenaufnehmer, in dem eine in einem vorgegebenen Winkel zur Achse des Düsenhalters geneigte Drahtführungsdüse vorgesehen ist, aufgebaut ist, daß zwischen Kontaktrohr und Hüllrohr Kanäle zur direkten Wasserkühlung vorgesehen sind, deren Zu- und Rücklauf über einen Wasseranschlußblock an das Wasser­ anschlußstück erfolgt, daß im Wasseranschlußstück eine Indi­ zierung der Position zwischen dem den Düsenhalter antreibenden Pendelantrieb und der Drahtführungsdüse, die unter einem vor­ gegebenen Winkel gegenüber der Achse des Düsenhalters geneigt ist, vorgesehen ist und daß der schwertförmig ausgebildete Gas­ schutz, der den Düsenhalter über die gesamte in die Nahtfuge eintauchende Länge einseitig umschließt, vom Düsenhalter und Getriebegehäuse elektrisch isoliert ist.

Mit der Erfindung ist ein Schweißkopf geschaffen, der aus Drahtzuführungseinrichtung mit Düsenhalter und darum befind­ lichen Gasschutz einerseits die konstruktiven Forderungen be­ züglich Kompaktheit erfüllt, bei dem aber andererseits der eigentliche Gasschutz elektrisch vollständig von den übrigen Teilen isoliert ist. Durch die potentialmäßige Entkopplung des Gasschutzes kann eine Berührung des schwertartigen Gebildes mit den Fügeteilen beim Schweißen nicht mehr zum Kurzschluß führen. Der neue Engspaltschweißkopf ist somit robotergerecht.

Bei der Erfindung ist die Drahtführungsdüse vorteilhafterweise in den Düsenaufnehmer eingeschraubt, vorzugsweise unter einem Winkel α zwischen 3° und 15° gegenüber der Achse des Düsenhal­ ters.

Der Gasschutz kann ebenfalls wassergekühlt sein. Die Isolierung zwischen Gasschutz und Düsenhalter ist zum Beispiel als Be­ schichtung auf dem Düsenhalter vorgesehen, die zum Beispiel aus einem keramischen Werkstoff oder aus einem Kunststoffmaterial bestehen kann. Die Isolierung zwischen Gasschutz und Düsen­ halter kann in Form einer Hülse ausgeführt sein.

Weiterhin kann an der unteren Stirnfläche des Gasschutzes eine auswechselbare Schutzgasdüse angebracht sein.

Es ist zweckmäßig, das Wasseranschlußstück kegelförmig auszu­ bilden. Als Indizierung eignet sich besonders ein Stift. Im Wasseranschlußblock ist zweckmäßig mindestens eine Aufnahmenut für den Indizierungsstift vorgesehen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß im Gasschutz Sensoren zur Nahtführung angebracht sind, die induktiv, kapazitiv oder taktil wirken können.

Anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Engspaltschweißkopf im Schnitt, Fig. 2 den Bereich II in Fig. 1 in Vergrößerung.

In Fig. 1 ist im Schnitt ein Engspaltschweißkopf dargestellt. In einem schwertförmigen Gasschutz 5, der z.B. aus Messing bestehen kann, ist ein pendelnder und wassergekühlter Düsen­ halter angeordnet, der aus einem Kontaktrohr 1, einem Hüll­ rohr 2, einem Düsenaufnehmer 23 und einem Wasseranschlußstück 27 aufgebaut ist. In den Düsenaufnehmer 23 ist eine Drahtfüh­ rungsdüse 4 unter einem vorgegebenen Winkel α, z. B. 10 , ein­ geschraubt. Zwischen dem Kontaktrohr 1 und dem Hüllrohr 2 sind Wasserkanäle 24 und 25 zur direkten Wasserkühlung vorgesehen. Die Kanäle 24 und 25 stehen in Verbindung mit einem Wasser­ anschlußblock 3, in den ein Wasservorlauf 11 und ein Wasser­ rücklauf 12 eingepaßt sind. Im Wasserrücklauf 12 befindet sich gleichzeitig der Stromanschluß für eine Drahtelektrode 9.

Der Gasschutz 5 ist so ausgeführt, daß er den Düsenhalter über die gesamte in die Nahtfuge eintauchende Länge allseitig um­ schließt. Der Gasschutz 5 ist vom Düsenhalter durch eine Iso­ lierschicht 6 und vom Getriebegehäuse 16 durch eine Isolier­ schicht 21 elektrisch getrennt.

Die Drahtelektrode 9 ist durch einen Drahteinlauf 10, über eine Befestigungsmutter 13, sowie den Wasseranschlußblock 3, das Wasseranschlußstück 27, weiterhin durch eines von mehreren An­ triebszahnrädern 15 für die Ausführung der Pendelbewegung, durch Walzlager 19 und 20 und das Kontaktrohr 1 in die Draht­ führungsdüse 4 geführt. Der Drahtvorschub wird durch einen Vor­ schubmotor 8 bewirkt. Durch den Pendelantrieb, bestehend aus einem Pendelmotor 14, Zahnrädern 15 und einem Drehgeber 18, wird der Düsenhalter mit der Drahtführungsdüse 4 in pendelnde Bewegungen versetzt.

Der Drehgeber 18 kann z.B. ein Potentiometer sein, von dem ein Signal für die genaue Düsenstellung ableitbar ist. Mit 17 ist eine Kupplung zwischen Drehgeber 18 und den Antriebszahnrädern 15 und mit 22 sind Zentrierungen gekennzeichnet. In den Gas­ schutz 5 sind Bohrungen 7 zur Zuführung des Schutzgases an die Schweißstelle enthalten. Am Wasseranschlußstück 27 ist zum Positionieren zwischen Pendelantrieb 14, 15, 17, 18 und Draht­ führungsdüse 4 eine stiftförmige Indizierung 28 vorgesehen. Zur Aufnahme des Indizierungsstiftes 28 weist der Wasseranschluß­ block 3 mindestens eine Aufnahmenut 29 auf.

Im Gasschutz 5 sind Sensoren 30 zur Nahtführung vorgesehen, die induktiv, kapazitiv oder taktil wirken können.

Die Drahtelektrode 9 wird in der Achse des wassergekühlten Kontaktrohres 1 zugeführt und tritt am Ende über die schräg eingebrachte Drahtführungsdüse 4 aus. Diese Drahtführungsdüse 4 übernimmt durch geeignete Wahl von Düsenbohrung und einem Ab­ lenkwinkel α zwischen 3° und 15° die Aufgabe, die Drahtelektro­ de 9 in definierter und reproduzierbarer Weise aus der Schweiß­ kopfachse abzulenken. Durch koaxiale, oszillierende Dreh­ schwingungen des Schweißkopfes wird der am Drahtende brennende Lichtbogen in Abhängigkeit von Pendelwinkel und freiem Draht­ ende zwangsweise und ohne Möglichkeit der Abweichung von einer Fugenflanke zur anderen bewegt. Da die Drehschwingungen mit einem Elektromotor von hoher dynamischer Qualität erzeugt wer­ den, ist es möglich, definierte und vorgewählte Winkelbereiche sowie beliebige Haltezeiten an den Umkehrpunkten einzuhalten. Diese Parameter sind während des Betriebs veränderbar, so daß auch bei sich ändernden Nahtkonturen jederzeit eine einwand­ freie und reproduzierbare Anschmelzung der Nahtflanken ge­ währleistet ist. Beim Einsatz geeigneter Sensorsysteme, die die Nahtgeometrie erfassen, lassen sich diese Parameter in ein Regelsystem einbinden, so daß ein vollautomatischer Schweiß­ ablauf realisiert werden kann.

Beim MIG/MAG-Engspaltschweißen ist auch durch Einsatz des Impulsschweißverfahrens spritzerfreies Schweißen nur bedingt realisierbar. An den Nahtflanken anhaftende Spritzer können nicht nur die Schweißkopfposition beeinflussen, sondern auch dazu führen, daß der Schweißkopf Werkstückpotential bekommt. Als Folge davon sind Schweißfehler oder die Zerstörung des Schweißkopfes zu erwarten.

Diese Nachteile werden hier dadurch vermieden, daß der Schweiß­ kopf in einem schwertartigen Gasschutz 5 integriert ist. Der Gasschutz 5 ist vom Düsenhalter 1, 2, 23, 27 potentialfrei getrennt. Durch diese Isolation und eine massive Konstruktion ist auch beim Berühren des Gasschutzes 5 mit den Nahtflanken ein störungsfreier Betrieb gewährleistet.

In Fig. 2 ist der Bereich II der Fig. 1 vergrößert im Schnitt dargestellt. Entsprechend Fig. 1 ist mit 1 das Kontaktrohr, mit 2 das Hüllrohr, mit 24 und 25 die Kanäle zur direkten Wasser­ kühlung, mit 6 die Isolierung des Düsenhalters, mit 5 der Gas­ schutz, mit 7 Bohrungen zur Aufnahme des Schutzgases, mit 26 die Schutzgasdüse, die aus Kupfer besteht, mit 4 die Drahtfüh­ rungsdüse und mit 23 der Düsenaufnehmer bezeichnet.

Claims (10)

1. Engspaltschweißkopf zum Metallschutzgasschweißen, bestehend aus einem Drahtvorschubmotor, einem oszillierend pendelnden Düsenhalter mit Drahtführungsdüse, einem Getriebegehäuse mit Pendelantrieb sowie einem Gasschutz zum Abdecken der Schweiß­ schmelze, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:.

• a) Der mittels des Pendelantriebs um einen bestimmten Winkel um seine Längsachse hin und her drehbare Düsenhalter (1, 2, 23, 27) ist aus einem Kontaktrohr (1), einem Hüllrohr (2), einem Wasseranschlußstück (27) und einem Düsenaufnehmer (23), in dem eine in einem vorgegebenen Winkel (α) zur Achse des Düsenhalters (1, 2, 23, 27) geneigte Drahtführungsdüse (4) vorgesehen ist, aufgebaut;
• b) zwischen Kontaktrohr (1) und Hüllrohr (2) sind Kanäle (24, 25) zur direkten Wasserkühlung vorgesehen, deren Zu- und Rücklauf (11, 12) über einen Wasseranschlußblock (3) an das Wasseranschlußstück (27) erfolgt;
• c) im Wasseranschlußstück (27) ist eine Indizierung (28) der Position zwischen dem den Düsenhalter (1, 2, 23, 27) antrei­ benden Pendelantrieb (14, 15, 17, 18) und der Drahtführungs­ düse (4) vorgesehen;
• d) der schwertförmig ausgebildete Gasschutz (5), der den Düsen­ halter (1, 2, 23, 27) über die gesamte in die Nahtfuge ein­ tauchende Länge allseitig umschließt, ist vom Düsenhalter (1, 2, 23, 27) und vom Getriebegehäuse (16) elektrisch isoliert.

2. Engspaltschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtführungsdüse (4) in den Düsenaufnehmer (23) eingeschraubt ist, vorzugsweise unter dem Winkel (a) zwischen 3° und 15° gegenüber der Achse des Düsenhalters.

3. Engspaltschweißkopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Wasseranschlußstück (27) kegelförmig ausgebildet ist.

4. Engspaltschweißkopf nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Indizierung (28) als Stift ausgebildet ist, für die im Wasseranschlußblock (3) mindestens eine Aufnahmenut (29) vorgesehen ist.

5. Engspaltschweißkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Iso­ lierung (6) zwischen Gasschutz (5) und Düsenhalter (1, 2, 23, 27) als Beschichtung auf dem Düsenhalter (1, 2, 23, 27) vorge­ sehen ist.

6. Engspaltschweißkopf nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem keramischen Werkstoff besteht.

7. Engspaltschweißkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem Kunststoffmaterial besteht.

8. Engspaltschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Iso­ lierung (6) zwischen Gasschutz (5) und Düsenhalter (1, 2, 23, 27) in Form einer Hülse ausgeführt ist.

9. Schweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der unteren Stirnfläche des Gas­ schutzes (5) eine auswechselbare Schutzgasdüse (26) vorgesehen ist.

10. Engspaltschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gasschutz (5) induktiv, kapazitiv oder taktil wirkende Sensoren (30) zur Nahtführung vorgesehen sind.