DE4317572A1 - Chemisch überlagertes Lichtbogenschweißen - Google Patents

Description

Der Schutzanspruch beschreibt ein Schweißverfahren, welches mittels einer elektrischen Zündung einer Redoxreaktion zweier oder mehrerer chemisch aktiven Reaktionspartner, welche sich zwischen den Stoßflächen des elektrischen Zündungslichtbogens befinden, eine chemisch exotherme Verschmelzung mit einer elektrischen Lichtbogenverschmelzung der Lichtbogenzündung überlagern. Dabei wird bei dem elektrischen Hauptüberlagerungsschweißstrom der Übergangswiderstand ausgenutzt, der bei der chemisch exothermen Reaktion im entstehenden Schweißplasma entsteht.

Stand der Technik sind auf dem Gebiet der Redoxreaktionsverschweißungen im hauptsächlichen die Gießschmelzschweißverfahren, welche die erforderliche Schweißwärme durch Gießen der flüssigen "Energieträger" in die eingeformte Schweißstelle übertragen, wobei die Stoßflächen die erforderliche Temperatur annehmen. Der flüssige "Energieträger" wird hauptsächlich durch chemisch exothermes Schmelzen des "Energieträgers" auf der Basis aluminiumthermischer Redoxreaktion erzeugt.

In der Preßlichtbogenschweißtechnologie ist es bei größeren Bolzen üblich Aluminiumstifte in die Mitte der Bolzenstoßfläche einzubringen. Bei der Verschweißreaktion zündet der Lichtbogen dann an der Stelle des eingebrachten Aluminiumstiftes. Dieses ist bei der Einbringung des Stiftes in die Mitte der Stoßfläche des Bolzens der beabsichtigte Effekt, wobei bei der Zündung dieser Bolzenstoßflächen bei vorhandenem Flugrost auf den Stoßflächen neben der Oxidationsreaktion des Aluminiums mit dem Sauerstoff der Luft auch eine aluminutherme Redoxreaktion mit dem Flugrost stattfindet.

Die Neuerung beschreibt ein Lichtbogenschweißverfahren, welches mittels einer elektrischen Zündung einer Redoxreaktion zweier oder mehrerer chemisch aktiven Reaktionspartner, welche sich zwischen den Stoßflächen des elektrischen Zündungslichtbogens befinden, eine chemisch exotherme Verschmelzung mit einer elektrischen Lichtbogenverschmelzung der Lichtbogenzündung überlagern.

Bei dieser Lichtbogenverschmelzung unter Zuhilfenahme eines chemisch exothermen Reaktionsablaufes zwischen den Stoßflächen des Lichtbogenplasmas wird der Übergangswiderstand des exothermen Reaktionsablaufes genutzt.

Dieses geschieht folgendermaßen:

Ein Zündfunke zündet die chemisch exotherme Redoxreaktion zwischen den Stoßflächen. Dabei entwickelt sich bei dem chemischen Reaktionsablauf ein Plasmafeld zwischen den Stoßflächen mit einem spezifischen elektrischen Übergangswiderstand. Ist der Übergangswiderstand konstant, hat die chemische Reaktion seine höchste Aktivität erreicht. In dieser Phase wird eine elektrische Spannung an die beiden Stoßflächen angelegt, welcher eine Stromdurchflutung durch das entstandene Plasma zur Folge hat. Nun gibt es in diesem Schritt folgende Möglichkeiten die spezifisch für die Anwendungscharakteristika der Schweißverfahren sind:

Bei den Lichtbogenpreßschweißverfahren übernimmt ein elektrischer Plasmaaufbau zwischen den Stoßflächen die abklingende chemische Plasmareaktion bis zu einem vorbestimmten Verschweißwert. Darüberhinaus hat die chemische Aktivität über einen vorausbestimmten Massegehalt der Redoxreaktionspartner noch einen bestimmbaren Reaktionsabbrand, dessen Reaktionsdauer und Reaktionsgeschwindigkeitsverlauf vorherbestimmbar sind.

Bei Dauerlichtbogenschweißverfahren kann die chemisch exotherme Reaktion den elektrischen Lichtbogenstrom verringern, da nur eine bestimmte Abschmelzleistung zur Verfügung stehen muß, um eine Verschweißung herbeizuführen.

Zum Beispiel bei dem Lichtbogenhandschweißen kann der Stabelektrodenmantel aus chemisch aktiven Redoxreaktionsmaterial sein. Beim Zünden des Lichtbogens setzt die sehr schnell in Gang kommende Redoxreaktion den Lichtbogenstrom stark herab. Der Lichtbogen brennt gleichmäßig ab, ist lang streckbar und dem Lichtbogen wird durch die Redoxreaktion am Plasma der Zutritt zur Atmosphäre verwehrt. Das redoxreaktive Material kann Rutil-, basisch- oder sauerwerkstofftechnisch vermengt werden, ohne die Redoxreaktiven Eigenschaften zu gefährden.

Bei Unterpulverschweißverfahren hat das Beimengen von redoxreaktiven Material ähnliche schweißtechnische Vorteile wie beim Dauerlichtbogenschweißverfahren, ebenso wie bei den Schutzgasschweißverfahren MAG und MIG und dem Wolfram- Inertgasschweißen.

Die technologischen Vorzüge der redoxreaktiven Elektoschweißüberlagerung bzw. Ergänzung liegen in einem bei der Energieverteilung bei der Abschmelzleistung begründet, zum anderen ist das Kurzschlußverhalten bei der Plasmazündung weitestgehend abgeblockt, da bei der Berührung der beiden Stoßflächen mit dem redoxreaktiven Material direkt durch den physikalischen "Miniaturkurzschluß" und der daraus folgenden Abschmelzleistung eine Initialzündung für die Redoxreaktion darstellt, welche ingangkommend direkt einen hohen Reaktionsplasmawiderstand aufbaut.

So ist beim Lichtbogenpreßschweißen speziell beim Bolzenschweißen durch die weit niedriger anzunehmenden Abschmelzleistung des elektrischen Lichtbogens auch für größere Bolzendurchmesser immer noch eine Kondensatorentladungsstromquelle sinnvoll. Durch das Kurzschlußverhalten der Neuerung durch die berührungsindikative Zündung des redoxreaktiven Materials ist ein Abheben von Bolzenschweißpistolen nur noch in besonderen Fällen als sinnvoll anzusehen.

Als redoxreaktives Material ist beispielsweise die aluminutherme Reaktion besonders empfehlenswert, da eventuelle Legierungselemente nicht an der Redoxreaktion teilnehmen, und die Verschweißungen metallurgisch einwandfrei sind. Aluminium besitzt zu Sauerstoff eine größere Affinität als die meisten anderen Metalle.

Ein weiterer großer Vorteil der Neuerung ist es, unter zwei Stoßflächen, beispielsweise zwei komplexe Körper die miteinander verschweißt werden sollen, mehrere Schweißplasmaherde gleichzeitig zu zünden, und auch an den Stellen eine Verschweißung herbeizuführen, unter denen technologisch oder mechanisch keine Verschweißung herbeigeführt werden kann. Die Plasmaherde bilden ein Widerstandsnetzwerk, bei dem naturgemäß die Einzelplasmawiderstände beim Zünden hoch sein müssen, oder aber wie im unserem Fall die Energiezuführung bei jedem Einzelelement nur zündungsindikativen Charakter hat, das heißt, daß in dem Kettenwiderstandsnetzwerk der Einzelwiderstand nach der indikativen Zündung groß wird, und eine Zündungskettenreaktion der Einzelplasmen in Widerstandsnetzwerk erfolgt.

Das Zünden mehrerer Schweißplasmaherde erfolgt in der Praxis über eine Kondensatorentladung, da alle Plasmaherde möglichst einheitlich zünden müssen um ein gutes Gesamtschweißergebnis zu erzielen.

Eine technische Lehre konnte aus dem Stand der Technik bei unserem Neuerungsansprüchen nicht gezogen werden, da das Verhalten eines Redoxreaktionsgemisches zwischen den Stoßflächen einer elektrischen Lichtbogenentladung nicht mit dieser technischen Verfügbarkeit dieses Neuerungsanspruches vorhersehbar ist.

Claims (7)

1. Lichtbogenschweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Stoßflächen- oder an den Seitenwandungen der Stoßflächen der zu verschweißenden Teile chemische Verbindungen in einem so ausreichenden Maße befinden, daß die chemische Reaktion dieser chemischen Verbindungen ausreichend Energie zur Ausbildung eines Schweißplasmas zwischen den Stoßflächen liefert, und die freiwerdende Energie aus der chemischen Reaktion in Form eines Plasmas zwischen den Stoßflächen von einem elektrischem Lichtbogen überlagert wird.

2. Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer elektrischen Zündung einer chemisch exothermen Reaktion zweier oder mehrerer chemisch aktiven Reaktionspartner, welche sich zwischen oder an den Wandungen der Stoßflächen des elektrischen Zündungslichtbogens befinden, eine chemisch exotherme Verschmelzung mit einer elektrischen Lichtbogenzündung überlagern.

3. Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Zündfunke die chemisch exotherme Reaktion zwischen den Stoßflächen des später der chemischen Reaktion überlagernden Lichtbogenplasmas auslöst.

4. Lichtbogenschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsenergie einer chemisch exothermen Reaktion in Form eines Plasmas zwischen den Stoßflächen von zu verschweißenden Teilen durch einen elektrischen Lichtbogen überlagert wird.

5. Lichtbogenschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine währende oder abklingende chemische Reaktion einer Plasma entstehenden Reaktion von einem elektrischen Lichtbogen überlagert wird.

6. Lichtbogenschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Aktivität, der Reaktionsabbrand, die Reaktionsdauer und der Reaktionsgeschwindigkeitsverlauf über die Zeit, von einen vorausbestimmbaren Massegehalt und dem Mischungsverhältnis der chemischen Reaktionspartner und dessen Art untereinander bestimmt wird.

7. Lichtbogenschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch reaktive Verbindung der exothemen chemischen Reaktion ein aluminumithermes Redoxreaktionsgmisch darstellt.