DE3542984A1 - Verfahren und einrichtung zum teil- oder vollmechanisierten schutzgas-verbindungsschweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum teil- oder voll­ mechanisierten Schutzgas-Verbindungsschweißen, insbesondere von Leichtmetallen, mit zwischen nicht-abschmelzender Elek­ trode und Werkstück brennendem Lichtbogen und mit Zuführung von Zusatzwerkstoff in Form eines Zusatzdrahtes. Ferner ist die Erfindung auf eine zweckdienliche Einrichtung bzw. auf einen Brennerkopf zur Durchführung des Verfahrens gerichtet.

Durchgesetzt in der breiten Industrieanwendung haben sich für das Verbindungsschweißen im wesentlichen drei Schutzgas- Schweißverfahren, nämlich:

• 1. Metallschutzgasschweißen (MSG)
• 2. Wolframinertgasschweißen (WIG)
• 3. Plasmaschweißen (WP)

Beim Metallschutzgasschweißen wird als Lichtbogenträger eine abschmelzende Drahtelektrode verwendet, die zugleich als Trä­ ger der Zusatzwerkstoffe dient, wobei mit Tropfenübergang im Lichtbogen gearbeitet wird. Dieses Schweißverfahren ermöglicht eine große Abschmelzleistung und hohe Schweißgeschwindigkeiten; es ist für eine Automatisierung des Schweißvorgangs gut geeig­ net und erfordert keine Brennerdrehung bei Richtungsänderung oder Zwangsposition, da der Zusatzwerkstoff der abschmelzen­ den Elektrode im Zentrum des Lichtbogens zugeführt wird. Nachteile dieses Verfahrens sind vor allem in Zündschwie­ rigkeiten und Kaltstellen am Nahtanfang, in der Krater- und Rißbildungsgefahr am Nahtende, in der Gefahr von Binde­ fehlern durch schwierige Parametereinstellung sowie insge­ samt durch häufig schlechtes Nahtaussehen und Spritzerver­ luste zu sehen.

Beim Wolframinertgasschweißen wird mit einer nicht-abschmel­ zenden Wolframelektrode unter Schutzgas gearbeitet, wobei der Zusatzwerkstoff dem Schmelzbad von Hand oder mechanisch vor dem Lichtbogen zugeführt wird. Die Vorteile dieses Verfahrens sind in der hohen Schweißnahtqualität auch bei schwierig schweißbaren Werkstoffen, wie hochlegierten Stählen und NE-Metallen, im dekorativen Nahtaussehen ohne Spritzerver­ luste sowie darin zu sehen, daß sich auch am Nahtanfang und Nahtende keine besonderen Qualitätsprobleme in der Ausbil­ dung der Schweißnaht ergeben. Allerdings ermöglicht dieses Verfahren verhältnismäßig kleine Abschmelzleistungen und da­ her entsprechend niedrige Schweißgeschwindigkeiten. Außerdem können sich Schwierigkeiten in der Schweißdrahtzuführung bei Schweißnaht-Richtungsänderungen (Konturen) und in Zwangs­ positionen ergeben.

Beim Plasmaschweißen wird ebenfalls mit nicht-abschmelzender Wolframelektrode unter Schutzgas gearbeitet, wobei dem Bren­ ner bzw. seinem Düsenkanal ein plasmabildendes Gas zugeführt wird. Dabei erfolgt eine Einschnürung des Lichtbogens im Düsenkanal (Plasmakanal) des Brenners, wodurch sich eine gegenüber dem WIG-Schweißen höhere Energiedichte erreichen läßt. Dieses Verfahren weist im übrigen dieselben Vor- und Nachteile wie das WIG-Schweißen auf, bereitet jedoch wegen des kleineren Schmelzbades zusätzliche Schwierigkeiten bei der Zuführung des Zusatzdrahtes.

Die Erfindung geht von den vorgenannten Schutzgas-Schweißver­ fahren, insbesondere dem bekannten WIG- und Plasma-Schweißen, aus. Ihr liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, ein für das Verbindungsschweißen bestimmtes Schutzgas-Schweißverfahren zu schaffen, das die Vorteile der bekannten Schutzgasverfahren weitgehend vereint und deren Nachteile weitgehend ausschließt. Ferner bezweckt die Erfindung eine zweckdienliche Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß der Zusatzdraht mechanisch direkt durch die Strom-Gasdüse bzw. die Plasmadüse des Brenners hindurch zugeführt wird.

Nach der Erfindung wird also der Zusatzwerkstoff in Form eines Zusatzdrahtes unmittelbar am Brenner in den Lichtbogen einge­ führt, wodurch sich ein stromloser Tropfenübergang im Licht­ bogen einstellt. Dabei wird die Anordnung zweckmäßig so ge­ troffen, daß der Zusatzdraht in den den Lichtbogen führenden Düsenkanal des Brenners bzw. seiner Strom-Gasdüse eingeführt wird, wobei dieser Düsenkanal beim Plasmaschweißen eine mehr oder weniger stark ausgebildete Querschnittseinengung für die Einschnürung des Lichtbogens aufweist, der zwischen der nicht- abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück brennt. Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren bei dem mit hoher Energiedichte arbeitenden Plasmaschweißen, wo der Zu­ satzdraht durch Tropfenübergang in den energiereichen Licht­ bogen gelangt. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die genannten Nachteile des Plasmaschweißens und besitzt zugleich die Vorteile des WIG-Schweißens, ohne dessen Nachteile, wie vor allem geringe Abschmelzleistung und niedrige Schweißgeschwin­ digkeit, Schwierigkeiten in der Zuführung des Zusatzdrahtes bei Schweißnaht-Richtungsänderungen und in Zwangspositionen, aufzuweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise mit Gleichstrom gearbeitet, obwohl es auch für das Wechselstrom­ schweißen verwendbar ist. Als Schutzgas können die herkömm­ lichen Gase, vor allem Edelgase, wie Argon und Helium, da­ neben aber auch Wasserstoff, Stickstoff usw., sowie Mischun­ gen der genannten Gase verwendet werden. Für die nicht- abschmelzende Elektrode wird vorzugsweise eine solche aus einer Wolframlegierung verwendet, obwohl hierfür auch Elek­ troden aus anderen Werkstoffen, z.B. aus einer Kupferlegie­ rung oder auch Kohleelektroden einsetzbar sind.

Aufgrund seiner spezifischen Vorzüge eignet sich das erfin­ dungsgemäße Verfahren vor allem für das Schweißen von Leicht­ metallen, wie insbesondere Aluminium und seine Legierungen. Beim Schweißen von Leichtmetall empfiehlt es sich, die nicht- abschmelzende Elektrode mit dem Pluspol der Gleichstromquelle zu verbinden, während der Minuspol der Gleichstromquelle an das Werkstück angelegt wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens verwendet einen Brenner, der mit einem Düsenkanal für den zwischen der nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Schweißgut brennenden Lichtbogen versehen ist, wobei erfin­ dungsgemäß eine in den Düsenkanal führende Zusatzdraht- Zuführung vorgesehen ist. Dabei wird zweckmäßig eine vom Düsenkörper seitlich nach außen führende Drahtführung für den Zusatzdraht vorgesehen, die zweckmäßig aus einem geeig­ neten Isolierstoff besteht. Bei einem Plasmabrenner weist der genannte Düsenkanal eine mehr oder weniger ausgeprägte Querschnittsverengung für die Einschnürung des Lichtbogens auf. Die Zusatzdraht-Zuführung wird hierbei zweckmäßig so angeordnet, daß sie hinter der Querschnittsverengung in den Düsenkanal mündet.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Einrichtung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen für das Plasmaschweißen verwendeten Brenner bekannter Ausführung in einem Teil­ längsschnitt;

Fig. 2 in einer der Fig. 1 entsprechenden Schnitt­ darstellung den gleichen Brenner, jedoch mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatzdraht­ zuführung.

In den Fig. 1 und 2 sind mit 1 der Brenner, mit 2 die unter Schutzgas zu verschweißenden Werkstücke und mit 3 eine Schweißstromquelle bezeichnet. Der Brenner 1 weist ein Man­ telrohr 4 auf, welches eine Gasdüse bildet und einen Brenner­ körper 5 sowie eine Strom-Gasdüse 6 aufnimmt, wobei zwischen dem Brennerkörper 5 und der darunterliegenden Strom-Gasdüse 6 ein Isolierstück 7 angeordnet ist. Der Brennerkörper 5 weist mittig eine gestufte, axiale Bohrung 8 auf, die sich durch das Isolierstück 7 in die Strom-Gasdüse 6 verlängert und die eine Spannhülse 9 od.dgl. für die Einspannung einer nicht-abschmelzenden Elektrode 10, vorzugsweise einer solchen aus einer Wolframlegierung, aufnimmt. Die Strom-Gasdüse bzw. der Düsenkörper 6 weist in axialer Verlängerung der Bohrung 8 einen Düsenkanal 11 mit einer Querschnittseinengung 12 auf. Die Elektrode 10 liegt mit ihrem Ende 13 in dem Düsenkanal 11 vor der Querschnittseinengung. In diesen im Durchmesser erwei­ terten Bereich des Düsenkanals 11 mündet der Kanal für die Zu­ führung des Plasmagases, wie dies bei Plasmabrennern allgemein bekannt ist.

Die Schutzgaszuführung erfolgt durch das äußere Mantelrohr 4 hindurch, welches demgemäß eine Gasdüse bildet. In der Zeich­ nung sind mehrere, über den Umfang der Teile 5, 6 und 7 ver­ teilt angeordnete, axiale Kanäle 14 für die Schutzgaszufüh­ rung gestrichelt angedeutet, die an der Unterseite des Bren­ ners münden, so daß das in Pfeilrichtung 15 austretende Schutzgas einen Schutzgasmantel um den sich zwischen dem Elektrodenende 13 und der Schweißfuge der Werkstücke 2 ein­ stellenden Lichtbogen 16 bildet.

Die Arbeitsweise eines Plasmabrenners ist an sich bekannt und bedarf keiner weiteren Erläuterung. Von Bedeutung ist vor allem, daß der Lichtbogen 15 an der Querschnittseinengung 12 des Düsenkanals eingeschnürt wird, wodurch ein energie­ reicher Plasmastrahl erzeugt wird. Die Schweißstromquelle 3, vorzugsweise eine Gleichstromquelle, ist mit ihrem einen Pol über einen Leiter 17 mit dem Werkstück 2 und mit ihrem ande­ ren Pol über einen Leiter 18 mit dem Brennerkörper 5 und da­ mit mit der Elektrode 10 elektrisch verbunden. Beim Schweißen von Leichtmetall empfiehlt es sich, die nicht-abschmelzende Elektrode 10 mit dem Pluspol der Gleichstromquelle 3 zu ver­ binden.

Wie Fig. 1 zeigt, wird beim bekannten Plasmaschweißen der Zusatzwerkstoff als Zusatzdraht 19 dem Schmelzbad 20 vor dem Lichtbogen 16 zugeführt. Die Schweißrichtung ist durch den Pfeil 21 angegeben. Im Gegensatz hierzu wird bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren gemäß Fig. 2 der Zusatzdraht 19 z.B. mit Hilfe von Vorschubrollen 22 mechanisch über den Brenner 1 und den Düsenkanal 11 in den Lichtbogen 16 eingeführt, und zwar im Abstand hinter der Querschnittseinengung 12 des Düsen­ kanals. Damit wird ein stromloser Tropfenübergang des Zusatz­ werkstoffs in den energiereichen Lichtbogen bzw. Plasmastrahl erreicht. Der Brenner 1 ist demgemäß mit einer von außen in den Düsenkanal 11 führenden Zusatzdraht-Zuführung versehen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von dem Innen­ kanal einer Drahtführung 23 gebildet wird, die sich von außen durch das die Gasdüse bildende Mantelrohr 4 und durch die Strom-Gasdüse 6 hindurch bis in deren Düsenkanal 11 erstreckt, wobei sie bei 24 schräg in den Düsenkanal einmünden kann. Die seitlich aus dem Mantelrohr 4 herausgeführte Drahtführung 23 besteht zweckmäßig aus einem Rohr aus geeignetem Isolier­ material.

Die Erfindung ist auf das vorstehend beschriebene Ausführungs­ beispiel nicht beschränkt. Obwohl die Erfindung bevorzugt beim Plasmaschweißen unter Schutzgas zur Anwendung kommt, ist auch eine Anwendung beim normalen WIG-Schweißen denkbar. Dabei kann der in Fig. 2 gezeigte Brenner Verwendung finden, dessen Düsen­ kanal 11 in diesem Fall keine den Lichtbogen einschnürende Querschnittseinengung 12 aufweist.

Die Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil beim Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen verwenden. Hierbei wird als Schweißstromquelle 3 eine Gleichstromquelle verwendet, an deren Pluspol die nicht-abschmelzende Elektrode 10 angelegt wird. Für die Elektrode 10 wird zweckmäßig eine solche aus einer Wolframlegierung vorgesehen.

Claims (7)

1. Verfahren zum teil- oder vollmechanisierten Schutzgas- Verbindungsschweißen, insbesondere von Leichtmetallen, mit zwischen nicht-abschmelzender Elektrode und Werk­ stück brennendem Lichtbogen und mit Zuführung von Zu­ satzwerkstoff in Form eines Zusatzdrahtes, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zusatzdraht (19) mechanisch direkt durch die Strom- Gasdüse (Plasmadüse) des Brenners (1) hindurch zuge­ führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die nicht- abschmelzende Elektrode (10) eine solche aus einer Wolframlegierung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen von Leichtmetall die nicht-abschmelzende Elektrode (10) mit dem Pluspol der Gleichstromquelle (3) ver­ bunden wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Brenner einen Düsenkanal für den zwischen Elektrode und Werk­ stück brennenden Lichtbogen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine in den Düsen­ kanal (11) führende Zusatzdraht-Zuführung (19, 22, 23) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeich­ net durch eine vom Düsenkanal (11) seitlich nach außen führende Drahtführung (23).

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Plasma­ brenner der Düsenkanal (11) mit einer Querschnittsver­ engung (12) für die Einschnürung des Lichtbogens ver­ sehen ist, wobei die Zusatzdraht-Zuführung hinter der Querschnittsverengung in den Düsenkanal (11) mündet.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Drahtführung (23) seitlich durch die Gasdüse (4) des Brenners hindurchführt, einen in der rohrförmigen Gas­ düse (4) angeordneten Düsenkörper (8) durchdringt und im Düsenkanal (11) endet, wobei zwischen dem Düsenkör­ per (6) und der Gasdüse (4) ein umlaufender Kanal (25) für die Schutzgaszuführung angeordnet ist.