DE4118618A1 - Plasmabogenschweisssystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Plasmabogenschweißsystem,
und zwar insbesondere auf ein manuelles Schlüsselloch
(keyhole)-Plasmabogenschweißsystem.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf das hochleistungsdichte
Schweißen und insbesondere auf ein manuelles Schlüsselloch
schweißverfahren zur Eliminierung von Defekten im schweißbaren
Material.
Typischerweise werden bei der Herstellung großer Strukturen
aus Aluminium und anderen schweißbaren Materialien automati
sche Schweißverfahren zur Bildung der Grundstruktur einge
setzt. Manuelle Schweißverfahren werden später zur Reparatur
unerwünschter Defekte verwendet, die während des automatischen
Schweißverfahrens erzeugt wurden. Die Defekte werden üblicher
weise durch Röntgenstrahlverfahren oder visuelle Inspektion
detektiert und durch mechanische Mittel, wie beispielsweise
Schleifen oder Bearbeitung durch Werkzeugmaschinen, entfernt.
Sodann wird die Struktur erneut geschmolzen oder reparaturge
schweißt unter Verwendung von Gas-Wolfram-Bogen-Schweißung
(GTAW = gas tungsten arc welding) oder Plasmabogenschweiß
verfahren.
Das GTAW erzeugt einen Bogen zwischen einer nicht-verbrauch
baren Elektrode und dem Werkstück in einer inerten Gasat
mosphäre. Infolge der Ionisierung des Gases wird eine Gasent
ladung gebildet. GTAW wird im allgemeinen ausgeführt in einem
Leistungsdichtebereich von zwischen annähernd 5×106 W/mm2
und 5×108 W/mm2, um das Schmelzen des Werkstücks vorzusehen.
Die Plasmabogenschweißverfahren verwenden ein Gas, welches
durch eine eingeschränkte Zumeßöffnung abgegeben wird, was
eine kollimierte mit hoher Geschwindigkeit und hoher Tempera
tur darauffolgende Abgabe bedeutet. Die Plasmabogenschweißung
wird im allgemeinen in einem Leistungdichtebereich von zwi
schen 5×108 W/mm2 und 3×1010 W/mm2 durchgeführt.
Bei Niveaus, die größer sind als ungefähr 1×1010 W/mm2 ist
die Leistungsdichte während des Plasmabogenschweißens hinrei
chend hoch, um die Stuktur nicht nur zu schmelzen, sondern
auch vollständig zu durchdringen, um ein Loch oder "Schlüssel
loch" zu erzeugen, wie dies üblicherweise genannt wird. Dieses
Verfahren ist in dem Buch mit dem Titel "Physics of Welding",
Kapitel 8, High Power Density Welding beschrieben. Das Schlüs
sellochschweißen sieht eine tiefe, schmale Eindringung, ver
glichen mit dem GTAW-Prozeß vor.
US-PS 46 28 177 beschreibt einen dichtungslosen Plasmasbogen
schweißkopf, der eine Leistungsquelle verwendet, der eine auf
der Zeit basierende Rechtecksteuerwellenform benutzt. US-PS
46 28 177 verwendet ein Abschirmgas, welches beispielsweise
Helium sein kann.
Zu den Vorteilen und Zielen sei hinsichtlich der Erfindung zu
samnmenfassend folgendes ausgeführt. Ein Hauptziel der vorlie
genden Erfindung besteht darin, die Schleif- oder anderen Be
arbeitungsverfahren zu eliminieren, wie sie derzeit erforder
lich sind, um unerwünschte Defekte zu reparieren, die während
eines automatisierten Schweißprozesses erzeugt werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Schlüssel
loch-Bogenschweißsysteme zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein manuelles
Schlüssellochplasma-Bogenschweißsystem und umfaßt in seinen
breitesten Aspekten folgendes:
- a) eine Leistungsquelle;
- b) eine manuelle Bogenschweißkopfanordnung, die folgendes
aufweist:
- i) eine hohle Abschirmschale,
- ii) eine Zumeßöffnungs-Unteranordnung konzentrisch angeordnet innerhalb der Abschirmschale, und
- iii) eine Elektrode konzentrisch angeordnet innerhalb der Zumeßöffnungs-Subanordnung,
- c) eine Abschirmgasquelle; und
- d) eine Plasmagasquelle.
Ein Abschirmgasabgabering oder Ringraum wird zwischen einer
Anschlußkante der Schirmschale oder der Schirmtasse gebildet
und dem Anschlußende der Zumeßöffnungs-Unteranordnung. Die
Anschlußkante der Schirmtasse wird über das Anschlußende der
Zumeßöffnungs-Subanordnung hinaus erstreckt, um einen lamina
ren Abschirmgas-Abgabefluß durch den Ausgabe- oder Abgabering
raum zu bilden, wodurch die Zumeßöffnungs-Unteranordnung ge
kühlt wird. Ein Plasmagasringraum oder Abgabering wird gebil
det zwischen dem Anschlußende der Zumeßöffnungs-Subanordnung
und einem Ende der Elektrode. Ein erster Anschluß der Lei
stungsquelle ist mit der Elektrode verbunden und ein zweiter
Anschluß der Leistungsquelle ist mit dem Werkstück verbunden.
Die Leistungsquelle liefert einen sinuswellenförmigen, sich
ändernden Strom. Ein Transferbogen wird zwischen der Elektrode
und dem Werkstück gebildet. Die Leistungsdichte reicht aus, um
das Schlüssellochschweißen vorzusehen, die umkehrenden Sinus
wellenpolaritäten erzeugen die gleichzeitige Schlüssellochpe
netration und das Kathodenreinigen, was das Erfordernis einer
beträchtlichen Werkstückoberflächenvorbereitung und/oder Ent
fernung von internen Werkstückdefekten eliminiert. Sowohl das
Abschirmgas als auch das Plasmagas sind inerte Gase. Vorzugs
weise ist das Abschirmgas Helium.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des manuellen Wechsel
strom-Plasmabogenschlüsselloch-Schweißsystems der Er
findung;
Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung der manuellen
Plasmabogen-Schweißkopfanordnung gemäß Fig. 1.
In den Figuren werden jeweils die gleichen Elemente oder Teile
der Zeichnungen mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Im folgenden sei das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfin
dung beschrieben. Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbei
spiel der Erfindung, wie es mit dem Bezugszeichen 10 versehen
ist. Eine manuelle Plasmabogenschweiß-Kopfanordnung 12 ist zur
Schlüsselloch-Plasmabogenschweißung eines Werkstücks 14 vorge
sehen und wird weiter unten im einzelnen beschrieben. Eine
Leistungsquelle 16 mit Konstantstromeigenschaften und vorzugs
weise 440 Volt Einzelphasen-Gleichstrom ist vorgesehen. Die
Leerlaufspannung der Leistungsversorgung 16 liegt normalerwei
se bei 80 Volt Wechselspannung. Ein mit gestrichelten Linien
bezeichneter Hochfrequenzoszillator 18, vorzugsweise der Fun
kenspaltbauart, ist zur Bogeninitiierung vorgesehen, ohne daß
die Notwendigkeit besteht, daß die Elektrode 20 der Kopfanord
nung 12 die Arbeitsoberfläche des Werkstücks 14 berührt. Der
Oszillator 18 sieht die erforderliche Amplitude und Zeitperio
de für einen Übergangsbogen von der Elektrode 20 zum Werkstück
vor. Zudem sieht der Oszillator 18 zur Verhinderung von Bogen
ausfällen die Wiederzündung vor, und zwar während gerader und
umgekehrter Polaritäten. Die 440 Volt werden, wie in der Figur
gezeigt, auf nominal 2000 Volt Wechselspannung angehoben.
Die Spannung der Leistungsversorgung 16 wird durch den Trans
formator T herabtransformiert und über zwei Dioden 22 und ein
Gleichgewichtspotentiometer 24 und durch den Induktor 26 ange
legt. Das Potentiometer 24 sieht eine Gleichgewichtssteuerung
der Sinuswellenstromwellenform vor. Der Gleichgewichts- oder
Ausgleichseffekt sieht eine Steuerung der Schweißdurchdrin
gung, verglichen mit der Schweißreinigungswirkung vor. Die
80 Volt sind an der Elektrode 20 in dem Werkstück 14 durch den
Hochfrequenzoszillator 18 eingeprägt. Ein mit gestrichelten
Linien 28 bezeichneter sättigbarer Reaktor (eine Spule) ist
vorgesehen, um den Strom der Leistungsversorgung 16 zu steu
ern. Ein Pilotbogenwiderstand 30 sieht einen Hochfrequenzpfad
zwischen der Elektrode 20 und einer Zumeßöffnungs-Unteranord
nung 32 der Kopfanordnung 12 vor, auf welche Weise eine Hoch
frequenzgasentladung zur Bogeneinleitung vorgesehen wird.
Die 440 Volt werden auf 24 Volt herabgesetzt und durch einen
Brückengleichrichter 34 in Gleichspannung umgeleitet. Die Aus
gangsgleichspannung des Brückengleichrichters 34 wird am
Schweißstromsteuer-Potentiometer 36 einer Fußschalt-Potentio
meteranordnung 38 eingeprägt, und zwar durch eine Impulsampli
tudensteuerung 40 in die Steuerwicklung der sättigbaren Spule
38. (Die Impulsamplitudensteuerung 40 gestattet das Außerposi
tionschweißen durch Veränderung der Amplitude und Zeitperiode
des Schweißstroms. Diese Steuerung negiert Schwerkrafteffekte
durch Verhinderung das Abfallen oder Herausfallen der Schweiß
pfütze.) Wenn der Benutzer den Fußschalter verändert, so än
dert er durch die Steuerwicklung der sättigbaren Spule 28
fließende Strom den Ausgangsstrom des Schweißers. Der Schweiß
vorgang kann durch die Verwendung des Ein/Aus-Schalters 42
durch die Schweißkontaktvorrichtung 44 initiiert werden.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Plasmabogen-
Schweißkopfanordnung 12. Die Anordnung 12 weist eine hohle Ab
schirmschale 46 auf, eine Zumeßöffnungs-Unteranordnung 32,
konzentrisch angeordnet innerhalb der Abschirmschale 46 und
eine Elektrode 20 (vorzugsweise hergestellt aus thoriiertem
Wolfram), konzentriert angeordnet innerhalb der Zumeßöffnungs-
Unteranordnung 32. Eine Abschirmgasquelle 48 (vgl. Fig. 1)
liefert einen Abschirmgasfluß 50 durch den Abschirmgasabgabe
ring, gebildet zwischen der Endkante oder Anschlußkante 52 der
Abschirmschale 46 und dem Anschluß- oder Abschlußende 54 der
Zumeßöffnungs-Unteranordnung 32. Die Abschlußkante 52 der Ab
schirmschale 46 ist über das Anschluß- oder Abschlußende 54
der hohlen Zumeßöffnungs-Unteranordnung 32 hinauserstreckt und
mit einem Ausnehmungsabstand (durch Pfeile 56 bezeichnet) kon
struiert, ausreichend zur Erzeugung eines laminaren Abschirm
gas-Abgabeflusses durch den Abgabering, was eine Kühlung der
Zumeßöffnungs-Subanordnung 32 vorsieht. Das Abschirmgas 50 ist
ein inertes Gas, und zwar vorzugsweise Helium oder eine Mi
schung aus Helium und einem anderen inerten Gas.
Eine (in Fig. 1 mit 57 bezeichnete) Plasmagasquelle sieht
einen Fluß 58 eines inerten Plasmagases durch einen Plasma
gasabgabering vor, und zwar gebildet zwischen der Elektrode 20
und dem Abschluß- oder Anschlußende 54 der Zumeßöffnungs-
Unteranordnung 32. Das Plasmagas ist ein inertes Gas, vorzugs
weise Argon. Zur Kühlung der Zumeßöffnungs-Anordnung 32 ist in
bekannter Weise eine Wasserkühlung vorgesehen. Eine Kühlmit
telrezirkulations-Vorrichtung ist schematisch bei 60 in Fig. 1
zu sehen.
Während des Betriebs betätigt der Schweißer mit dem Schweiß
kopf in der Hand die Fußschaltanordnung 38. Plasmagas, Ab
schirmgas und Kopfkühlwasser fließen dann. Der Hochfrequenz
pilot- oder Steuerbogen wird initiiert und der Schweißer nä
hert sich der zu schweißenden Oberfläche. Des Pilotbogen wird
durch die Gasionisation aufgebaut. Der Hochfrequenzbogen wird
zur Arbeitsoberfläche übertragen. Der Pilotbogen wird automa
tisch gelöscht. Der Schweißbogen wird aufgebaut und Schweiß
strom wird erzeugt. Der Schweißer hält die Position, bis ein
Schlüsselloch gebildet ist. Der Kopf wird oberhalb der zu
schweißenden Oberfläche bewegt und bildet eine kontinuierliche
Schweißung. Bei der AC- oder Wechselstromschweißung wird die
Durchdringung des Werkstückes vorherrschend aufrechterhalten
durch die gerade Polarität (Elektrode negativ). Während des
umgekehrten Polaritätsteils des Zyklus (Elektrode positiv),
bombadieren schwere Ionen den gesamten Teil der Schlüsselloch
oberfläche. Dies klärt kathodisch (gegebenenfalls periodisch)
das gesamte Schlüssellochgebiet und sämtliche unerwünschten
Defekte werden durch den Gasdruck beseitigt, wobei die Defekte
durch die Herausfallseite des Schlüssellochs entfernt werden.
In Fig. 2 ist der negative Elektrodenzustand (d. h. gerade Po
larität) dargestellt. (Die Kopfanordnung 12 wird in Richtung
des Pfeils 62 bewegt, ein Filterdraht 64 ist vor der Kopfan
ordnung 12 positioniert.) Die Elektrode befindet sich in einem
negativen Zustand und das Werkstück befindet sich in einem po
sitiven Zustand. Die Elektronen werden an die Arbeitsoberflä
che angezogen, was einen Hochtemperaturzustand erzeugt. Die
positiven Ionen werden an die Elektrode herangezogen. Bei der
(nicht gezeigten) umgekehrten Polarität werden die Elektronen
an die Elektrode herangezogen und die schweren positiven Io
nen, die das Schlüsselloch bombardieren, sehen die oben er
wähnte Reinigung vor, was eine defektfreie Schweißung zur Fol
ge hat. In Fig. 1 ist das Metall 66 erhärtend hinter dem
Schlüsseloch gezeigt. Um das Schlüsselochplasma-Bogenschweis
sen vorzusehen, sollte die Leistungsdichte auf oder oberhalb
1×1010 W/mm2 liegen.
Der laminare Abschirmgasfluß wird sichergestellt durch Zurück
nahme des Anschlußendes 54 der Zumeßöffnung-Subanordnung 32
bezüglich der Anschlußkante 52 der Abschirmschale 46. Bei
einem Ausführungsbeispiel ist der Außendurchmesser des Haupt
körpers der Abschirmschale 46 annähernd 3/4 Zoll mit einem
Durchmesser der End- oder Abschlußkante 52 von annähernd 3/8
Zoll. Die Zumeßöffnungs-Subanordnung 32 besitzt einen Haupt
körper-Außendurchmesser von annährnd 1/2 Zoll, der am An
schlußende 54 auf annähernd 1/4 Zoll verjüngt ist. Der zurück
genommene Abstand 56 zwischen der Endkante 52 und dem
Abschlußende 54 beträgt annähernd 0,15 Zoll. Diese Miniatu
risierung der Konstruktion gestattet die manuelle Verwendung
der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung vermeidet jedes Erfordernis hin
sichtlich Schleifens oder Bearbeitens, was normalerweise er
forderlich ist, um Defekte vor dem erneuten Schweißen zu ent
fernen. Ferner wird die Entfernung von Oberflächenoxiden, was
normalerweise eine Voraussetzung für eine defektfreie Röntgen
strahlqualitätsschweißung bildet, vermieden. Die Erfindung ist
brauchbar bei Schweißanwendungen, die Aluminium verwenden.
Abwandlungen der beschriebenen Maßnahmen liegen im Rahmen
fachmännischen Handelns.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Ein manuelles Schlüssellochplasma-Bogenschweißsystem mit einer
Leistungsquelle. Eine manuelle Bogenschweißkopfanordnung weist
folgendes auf: a) eine hohle Schweißschale, b) eine Zumeßöff
nungs-Subanordnung konzentrisch angeordnet innerhalb der
Schweißschale, und c) eine Elektrode konzentrisch angeordnet
innerhalb der Zumeßöffnungs-Subanordnung; eine Abschirmgas
quelle und eine Plasmagasquelle. Ein Abschirmgasabgabering
wird zwischen einer Endkante der Abschirmschale und dem Ab
schlußende der Zumeßöffnungs-Subanordnung gebildet. Die End
kante der Abschirmschale ist über das Abschlußende der Zumeß
öffnungs-Subanordnung hinaus erstreckt, um einen laminaren
Abschirmgasabgabefluß durch den Abgaberingraum zu erzeugen,
was die Kühlung der Zumeßöffnungs-Subanordnung vorsieht. Ein
Plasmagasabgabering wird zwischen dem Abschlußende der Zumeß
öffnungs-Subanordnung und einem Ende der Elektrode gebildet.
Ein erster Anschluß der Leistungsquelle ist mit der Elektrode
und ein zweitewr Anschluß der Leistungsquelle ist mit dem
Werkstück verbunden. Die Leistungsquelle sieht einen sinuswel
lenförmigen Wechselstrom vor. Ein Übertragungsbogen wird zwi
schen der Elektrode und dem Werkstück gebildet. Die Leistungs
dichte reicht aus, um das sogenannte Schlüssellochschweißen
vorzusehen, wobei die umgekehrten Sinuswellenpolaritäten
gleichzeitig die Schlüssellochdurchdringung und das kathodi
sche Reinigen erzeugen, auf welche Weise das Erfordernis an
einer substantiellen Werkstückoberflächenvorbereitung und/oder
Entfernung von internen Werkstücksdefekten vermieden wird.
Claims (9)
1. Plasmabogenschweißsystem, insbesondere der manuellen und
sogenannten Lochart, wobei folgendes vorgesehen ist:
- a) eine Leistungsquelle zum Vorsehen eines sinuwellen förmigen Wechselstroms;
- b) eine manuelle Plasmabogenschweiß-Kopfanordnung, die
folgendes aufweist:
- i) eine Abschirmschale mit einer Endkante mit einer mittig angeordneten Längsachse,
- ii) eine Zumeßöffnungs-Subanordnung, konzentrisch angeordnet innerhalb der Abschirmschale, wobei die Zumeßöffnungs-Subanordnung ein Abschlußende besitzt, und wobei ferner ein Abschirmgasabga bering gebildet wird zwischen der Abschlußkante der Abschirmschale und dem Abschlußende der hohlen Zumeßöffnungs-Subanordnung,
- iii) eine Elektrode, verbunden mit einem ersten Anschluß der Leistungsquelle, wobei die Elek trode konzentrisch angeordnet ist innerhalb der Zumeßöffnungs-Subanordnung, ein Plasmagasabga bering, gebildet zwischen dem Abschlußende der hohlen Zumeßöffnungs-Subanordnung und einem Ende der Elektrode,
- wobei die Abschlußkante der Abschirmschale über das Abschlußende der Zumeßöffnungs-Subanordnung hinaus erstreckt und derart konstruiert ist, daß ein lamina rer Abschirmgas-Austrittsfluß durch den Abgabering zur Kühlung der Zumeßöffnungs-Subanordnung erzeugt wird;
- c) eine Abschirmgasquelle in Strömungsmittelverbindung mit dem Abschirmgasabgabering zum Vorsehen eines Flus ses am inerten Abschirmgas durch den Abschirmgasabga bering zu dem Werkstück:
- d) eine Plasmagasquelle in Strömungsmittelverbindung mit dem Plasmagasabgabering zum Vorsehen einer Strömung von inertem Plasmagas durch dem Plasmagasabgabering, wobei der Fluß im wesentlichen kollimiert ist; einen zweiten Anschluß der Leistungsquelle, verbunden mit dem Werkstück, um so einen übertragenen Bogen vorzusehen zwischen der Elektrode und dem Werkstück, wobei die Lei stungsdichte ausreicht, um das Schlüssellochschweißen vor zusehen, wobei ferner vorzugsweise umkehrende Sinuswellen polaritäten gleichzeitig die Schlüssellochdurchdringung und die kathodische Reinigung vorsehen, was das Erforder nis einer beträchtlichen Werkstückoberflächenvorbereitung und/oder Entfernung von internen Werkstückdefekten ver meidet.
2. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Abschirmgas Helium ist.
3. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Abschirmgas eine Gasmischung einschließlich Helium
aufweist.
4. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Plasmagas Argon ist.
5. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistungsquelle Steuermittel aufweist, um die relative
Durchdringung und die Steuerung der Reinigung vorzusehen.
6. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistungsdichte größer als oder gleich 1×1010 W/mm2
ist.
7. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Werkstück aus Aluminium gebildet ist.
8. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sinuswellenwechselstrom ausgeglichen oder im Gleichge
wicht (oder symmetrisch) ist.
9. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sinuswellenwechselstrom sich nicht in Gleichgewicht
befindet.
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