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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Plasma-Schweißbrenner
gemäß der Präambel von
Anspruch 1 und ein Verfahren zum Einstellen der Elektrodenposition
in dem Schweißbrenner.
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In einem Plasma-Schweißbrenner
wird der in dem Schweißprozess
verwendete Hauptbogen zwischen der zentralen Schweißbrenner-Elektrode und dem
Werkstück
gezündet.
Der Düsenabschnitt
des Schweißbrenners
weist zwei konzentrische Kammern auf. Die innere Kammer enthält eine
Wolframelektrode und das untere Ende der Kammer ist mit einer Öffnung versehen,
welche konzentrisch um die Elektrodenspitze herum ausgerichtet ist.
Das Plasmagas wird in diese Kammer eingespeist. Die innere Kammer
wird von einer anderen Kammer umgeben, welche die Öffnung der
inneren Kammer konzentrisch umgebend ausmündet. Das Edelgas, welches ein
Schutzgas-Schild um den Bogen herum bildet, wird in diese äußere Kammer
zugeführt.
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Da der übertragene Bogen des Plasma-Schweißbrenners
in einer Gasatmosphäre
zwischen dem Werkstück
und der zentralen Elektrode gezündet
werden muss, muss das Plasmagas vor dem Start des Hauptbogens ionisiert
werden, um das Gas zum Unterstützen
von elektrischer Leitung zu befähigen.
Die Ionisation wird mittels eines Hilfsbogens bewirkt, welcher zwischen
der zentralen Elektrode und dem Düsenstück gezündet wird, welche die innere
Kammer bilden. Der Hilfsbogen ionisiert das Plasmagas, wodurch ein
leitfähiger
Pfad von ionisiertem Gas zwischen dem Werkstück und der Elektrode gebildet
wird, somit wird der Start des Hauptbogens erleichtert. Der Hilfsbogen
kann gezündet
werden, indem die zentrale Elektrode zum Berühren des Düsenstücks bewegt wird, wodurch ein
elektrischer Schaltkreis ausgebildet wird.
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Der übertragene Hauptbogen sollte
nur zwischen der zentralen Elektrode und dem Werkstück aufrecht
erhalten werden, da die Düse
schnell zerstört
sein würde,
wenn Doppelzünden
den hochenergetischen Hauptbogen zum Zünden zwischen der Elektrode
und der Düse
bewegt. Daher muss die Elektrodenspitze genau auf das elektrische
Zentrum der Düsenöffnung ausgerichtet
sein. Wenn die Düsenöffnung und
die Elektrodenspitze vollkommen symmetrisch sind, fällt das
elektrische Zentrum im Allgemeinen auch mit dem geometrischen Zentrum der
Düse zusammen.
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In einer großen Anzahl von zum manuellen Schweißen vorgesehenen
Schweißbrenner-Konstruktionen
kann die Elektrodenposition nur mittels Bearbeitens der Elektrodenspitze
verändert
werden, da die Elektrode in einer unbeweglichen Weise mittels in
das Innere in der Düse
eingepassten keramischen Stützteilen
zentriert ist. Solch ein Nachschleifen der Elektrode ist ein langsamer
und zeitaufwändiger
Vorgang, weil Bearbeitungswerkzeuge aufgrund der strengen Anforderungen
an die hochpräzise
Spitzenform verwendet werden müssen.
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In zum Schweißen verwendeten großformatigen,
mechanisch kontrollierten Plasma-Schweißbrennern kann die Elektroden-Zentrierung mit Hilfe eines
Exentermechanismus durchgeführt
werden. Diese Art von Schweißbrenner
hat eine Düsenöffnung mit
großem
Durchmesser und der Hauptbogen wird mit Hilfe einer hochfrequenten
Bogenzündung
in einer rotierenden Weise zwischen der zentralen Elektrode und
dem umgebenden Düsenteil
in dem ringförmigen
Zwischenraum der Düsenöffnung gestartet. Das
Zentrieren der Elektrode wird bewirkt, indem zunächst der hochfrequente Bogen
gestartet wird und dann die Elektrode mittels des Exentermechanismus bewegt
wird, bis erkannt wird, dass der Bogen symmetrisch um den ringförmigen Zwischenraum der
Düsenöffnung rotiert.
Solch ein Mechanismus ist jedoch für manuelle Schweißbrenner übermäßig robust
und kann daher nur in mit Hochfrequenzstartung ausgerüsteten Schweißbrennern
verwendet werden. Da der Schweißbrenner
während
des Zentrierens der Elektrode nicht gasdicht ist, erlaubt diese
Anordnung kein Einstellen der Elektrodenposition, wenn der Hauptbogen
stabil läuft.
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In US-Patent Nr. 5,208,442 ist ein
Plasma-Schweißbrenner
offenbart, in welchem die Elektrode mittels einer festziehbaren
Kugelzapfen-Verbindung an dem Schweißbrenner-Körper
befestigt ist, wodurch die Elektrode für das Einstellen der Elektrodenspitzen-Position
unter Abstützung
durch die Verbindung mittels eines in dem oberen Abschnitt des Schweißbrenners
angeordneten Knopfes drehbar rotiert werden kann, wonach die Elektrode
an Ort und Stelle mittels Festziehens der Verbindung festgehalten
werden kann. Während
diese Vorrichtung beim manuellen Schweißen gute Dienste leistet, muss
die Schweißmaschine
beim automatischen Schweißen
angehalten werden, wenn das Einstellen der Elektrodenposition notwendig
ist. Ferner kann seither während
des Schweißens
eine manuelle Steuerung zum Einstellen der Plasma-Strahl-Intensität (Strahlgröße) nicht
verwendet werden, welches Defizit bei verschiedenen Typen von Schweißnähten ein
die Arbeit verlangsamender Nachteil ist. Insbesondere können der
Start- und der Beendigungsschritt bei durchgeschweißten Einlagen-Rohnähten und
anderen Schweißungen
von runden Verbindungen leicht Defekte in der Schweißnaht verursachen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Anordnung bereitzustellen, welche automatisches
Einrichten der Elektrodenspitzen-Position in einem Plasma-Schweißbrenner
ermöglicht,
wenn erforderlich.
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Das Ziel der Erfindung wird erreicht
mittels Montierens der zentralen Elektrode des Schweißbrenners
in dessen drehbare Verbindung mittels einer einstellbaren Anordnung,
welche es erlaubt, die Elektrodenspitze mit Hilfe der Befestigungsanordnung
in einen innigen Kontakt mit dem Düsenstück zu bewegen, wodurch die
Elektrode in der Verbindung drehbar rotiert wird, so dass sie mit
dem Zentrum der Düsenöffnung unter
der Führung
der Elektrodenspitze zusammenfällt.
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Insbesondere ist der Plasma-Schweißbrenner
gemäß der Erfindung
charakterisiert durch das, was in dem charakterisierenden Teil des
Anspruches 1 festgelegt ist.
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Ferner ist das Elektrodeneinstellverfahren gemäß der Erfindung
charakterisiert durch das, was in dem charakterisierenden Teil des
Anspruches 6 festgelegt ist.
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Die Erfindung bietet signifikante
Vorteile.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung erlaubt ein
leichtes Zentrieren der Elektrode in der Öffnung des Düsenteils.
Der Zentrierschritt kann vollautomatisch mit Hilfe eines an dem
Körper
des Schweißbrenners
angebrachten steuerbaren Elektromotors durchgeführt werden, wodurch das Schweißausrüstungs-Steuerprogramm
mit der Elektrodeneinstell-Routine
vervollständigt
werden kann und folglich wird der Bediener von der Aufgabe des Elektrodeneinstellens
entlastet. Die Energiedichte des Plasma-Bogens kann mittels Veränderns der
Elektrodenposition gesteuert werden, dadurch wird ein Wechsel des
Plasma-Bogens von einem engschneidenden Strahl in einen breiteren
Strahl ermöglicht,
welcher eingerichtet ist zum Aufbringen der Hitze des Bogens über eine
breitere Fläche.
Das vorliegende Verfahren des Elektrodeneinstellens kann das Auftreten
von Schweißnaht-Defekten
beispielsweise in rundgeschweißten
Rohren und ähnlichen
Verbindungen verhindern. Die Möglichkeit
des automatischen Elektrodeneinstellens bietet einen zusätzlichen
Steuerparameter, welcher die Steueraufgabe beim Schweißen einfacher
macht und das Verwenden des Verfahrens über einen breiteren Bereich
von Anwendungen erlaubt.
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Da das neue Verfahren des Elektrodeneinstellens
keinen manuellen Betrieb des Schweißbrenners benötigt, kann
das Einstellen während
irgendeines Schrittes des Arbeitszyklus durchgeführt werden, auch wenn der Schweißbrenner
an einem Schweißroboter
oder einem anderen Aktuator befestigt ist, welcher sich über eine
große
Fläche
bewegt. Im Gegensatz dazu muss der Schweißbrenner bei manuellen Verfahren
des Elektrodeneinstellens stets in die Reichweite des Bedieners
gefahren werden und die Maschine in einem sicheren Zustand gestoppt
werden. In manuell gehaltenen Schweißbrennern kann die vorliegende
Einstellvorrichtung ein separater, elektroangetriebener Schraubendreher
sein, welcher mit einer einfachen Steuerung zum Durchführen der
Rotation ausgerüstet
ist. Ferner kann das Einstellen auch manuell durchgeführt werden,
wenn der Schweißbrenner
mit einer relativ genauen Skala ausgerüstet ist, von welcher die Höhenposition
der Elektrode abgelesen werden kann. Aufgrund einer einzelnen Spezifikation
des Plasma-Schweißbrenners
gemäß der Erfindung
sind die Elektroden und Düsen
des Schweißbrenners
einfach ersetzbar ausgeführt,
was zu der Variabilität
des Schweißbrenners beiträgt, um für verschiedene
Anwendungen geeignet zu sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung detaillierter mit
Hilfe der beigefügten
Zeichnungen untersucht, in welchen
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l ein
Ausführungsbeispiel
des Plasma-Schweißbrenners
gemäß der Erfindung
zeigt; und
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2 ein
anderes Ausführungsbeispiel
des Plasma-Schweißbrenners
gemäß der Erfindung zeigt.
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Bezugnehmend auf l ist darin der Aufbau eines Plasma-Schweißbrenners
gezeigt, welcher ein Ausführungsbeispiel
der Elektroden-Zentriervorrichtung gemäß der Erfindung aufweist. Die Abdeckung 1 des
Schweißbrenner-Körpers ist
aus Epoxydharz oder einem anderen elektrisch isolierenden Material
hergestellt und beinhaltet alle benötigten elektrischen, Gasund
Wassereinbauten. Innerhalb der Abdeckung 1 ist ein oberes
Körperteil 3 des wassergekühlten Schweißbrenner-Kopfes
eingepasst, welches einen Sockel 15 für das Kugelteil 14 des
Halters der Elektrode 4 beinhaltet. Unter dem oberen Körperteil 3 ist
ein wassergekühltes
unteres Körperteil 2 angepasst,
welches von dem oberen Körperteil 3 elektrisch
isoliert ist. Das untere Körperteil 2 bildet
eine Plasmagas-Kammer 6 um
die Elektrode 4 herum. Die Plasmagas-Kammer 6 mündet an dem
unteren Ende des unteren Körperteils 2 in
eine austauschbare Plasma-Düse 5 mit
einer darin ausgebildeten Düsenöffnung 11.
Das untere Körperteil 8 ist von
einem Wassermantel 7 eingeschlossen, welcher eine wassergekühlte Kammer 8 um
das untere Körperteil
herum bildet. Die Plasma-Düse 5 und
der Wassermantel 7 sind von einer Schutzgas-Abdeckung 9 eingeschlossen,
welche mittels eines kurzen Verschlussrohres 10 mit der
Schweißbrenner-Abdeckung 1 verbunden
ist.
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Der Elektrodenhalter 18 ist
an das untere Schweißbrenner-Körperteil 3 über das
Kugelteil 14 angepasst. Das untere Ende des Körperteils 14 wird gegen
die Trägerfläche eines
in dem untern Körperteil 3 befestigten
Sockels 15 abgestützt
und das obere Ende des Kugelteils ruht gegenüber dem untern Ende einer Feststellhülse 16,
welche auf Gewindegängen
in dem oberen Schweißbrenner-Teil 3 befestigt
ist. Daher komprimiert die Rotation der Feststellhülse 16 das
Kugelteil 14 dicht gegen die Trägerfläche des Sockels 15 und
erlaubt das Einstellen der zum Bewegen des Kugelteils 14 benötigten Kraft. Wenn
gewünscht,
kann die Gas-Dichtheit des Kugelteils 14 mittels Befestigens
eines O-Rings 24 in einer Nut 23 sichergestellt
werden. Das obere Schweißbrenner-Teil 3 ist
mittels eines umgebenden Wassermantels 19 auch wassergekühlt.
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Die Elektrode 4 ist mittels
einer Gewindeverbindung 27 in einer zweckentworfenen Elektrodenbefestigung 12 montiert,
welche auf der zentralen Achse des Elektrodenhalters 18 mit
einer solchen Länge angepasst
ist, dass sie in das Innere des Elektrodenhalters 18 hineinragt.
Die äußere Fläche der
Befestigung 12 ist hexagonal mit einer solchen Form hergestellt,
dass sie mit einer kompatiblen Aussparung des Elektrodenhalters
zusammenpasst, wodurch ein Rotieren der Elektrodenbefestigung 12 in
dem Elektrodenhalter verhindert wird. Das Zentrum der Elektrodenbefestigung 12 ist
mit einem Gewindebohrloch mit der an seinem unteren Ende montierten
austauschbaren Elektrode 4 versehen und die Gewindestange 25 des
Steuerknopfes 17 der Elektrode 4 ist mittels einer
Gewindeverbindung 26 an das obere Ende angepasst. Infolge
der Gewindebefestigung der Elektrode kann ein einzelner Schweißbrenner
mit Elektroden von unterschiedlicher Größe und Plasma-Düsen verwendet
werden, wodurch der Betriebsbereich eines einzelnen Schweißbrenners über einen ausgedehnten
Bereich von Anwendungen ausgedehnt ist. Der Steuerknopf 17 ist
mittels eines Spannrings 20 an die Feststellhülse 16 festgeklemmt,
um so die Rotation des Knopfes in der Bohrung der Feststellhülse zu erlauben,
während
gleichzeitig das Gleiten des Knopfes in der longitudinalen Richtung
der Bohrung verhindert wird. Daher bewegt die Rotation des Steuerknopfes
infolge der die Rotation der Elektrodenbefestigung 12 in
dem Elektrodenhalter 18 verhindernden hexagonalen freigleitenden
Verbindung und infolge des longitudinalen Festklemmens des Steuerknopfes 17 die
Elektrodenbefestigung 12 mit der Elektrode 4 in
der longitudinalen Richtung, wodurch das Einstellen des Abstandes
der Elektrode 4 von der Plasma-Düsen-Öffnung erleichtert wird. Die Gewindestange 25 des
Steuerknopfes 17 ist vorzugsweise an dem Steuerknopf derart
lose angebracht, dass ein Verändern
der Position der Elektrode 4 während der Rotation des Steuerknopfes
verhindert wird. Obwohl die Rotation des Steuerknopfes 17 manuell
oder unter Verwenden eines separaten elektrischen Antriebswerkzeuges
durchgeführt
werden kann, ist insbesondere beim automatischen Schweißen die
Anordnung von 2 geeignet,
welche den Steuerknopf 17 angetrieben von einem Elektromotor 22 über eine
Welle 21 aufweist.
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Das Zentrieren und Positionseinstellen
der Elektrode passiert wie folgt. Vor dem Anfangen eines Arbeitszyklus
wird die Elektrode 4 zum Berühren der Öffnung der Plasma-Düse 5 hinuntergedreht.
Infolge der präzisionshergestellten
Formen der Spitzenform der Elektrode 4 und der Öffnung der
Plasma-Düse 5 wird
die Spitze der Elektrode 4 in der Öffnung 11 der Plasma-Düse präzise zentriert
sein, wenn sie unter der Drehführung
der Kugelzapfen-Verbindung 14 des Elektrodenhalters 18 in
die Öffnung 11 der
Düse 5 abgesenkt
wird. Gleichzeitig wird die Höhenposition der
Elektrode 4 genau definiert sein und als Referenzhöhe Null
der Elektrode eingestellt sein. Als nächstes wird der Steuerknopf 17 eine
Anzahl von Umdrehungen zurückgedreht,
welche der gewünschten
zurückgezogenen
Betriebsposition der Elektrode entspricht.
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Der Abstand zwischen der Elektrode
und der Düsenöffnung kann
aus dem gesamten Rück-Rotationswinkel
und der Steigung der Steuerknopf-Stangen-Gewindegänge berechnet
werden. Der Ausrichtungsschritt kann vorzugsweise vervollständigt werden
mit dem Schritt des Startens des Hilfsbogens in dem Augenblick des
elektrischen Kontakts zwischen der Elektrode und der Düsenöffnung.
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Das oben beschriebene Verfahren bietet eine
genaue Steuerung der Elektrodenposition. Wenn die Steigung der Gewindestange,
welche die Elektrodenbefestigung 12 mit dem Steuerknopf 17 verbindet,
0,5 mm pro Umdrehung beträgt,
wird eine relativ moderate Positioniergenauigkeit von dem den Steuerknopf 17 rotierenden
Elektromotor benötigt. Tatsächlich wird
die Positioniergenauigkeit der Elektrode mehr von dem mechanischen
Spiel des Elektroden-Bewegungsmechanismus als von der Positioniergenauigkeit
der heute konventionell als Aktuatoren verwendeten Elektromotoren
bestimmt. Da die praktisch benötigte
Positioniergenauigkeit bei dem Abstandseinstellen zwischen der Elektrode
und der Plasma-Düse
ungefähr
0,1 mm beträgt,
ist diese Anforderung bereits in dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
erfüllt.
Für einen
manuellen Betrieb des Steuerknopfes ist eine 10-Stufen-Gradeinteilung der Steuerknopf-Felge
prinzipiell ausreichend genau für Elektrodenpositionierung.
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Am Vorteilhaftesten ist die Elektrodenpositionier-Routine
als ein Teil der Steuersoftware der automatischen Schweißmaschine
implementiert. Dann wird die Routine zuerst zum Steuern des Elektromotors
verwendet, so dass die Elektrode am Anfang des Arbeitszyklus zentriert
wird, mit einem gleichzeitigen Starten des Hilfsbogens. Als nächstes wird
die Energiedichte des Plasma-Bogens auf einen gewünschten
Pegel gesteuert, indem die Elektrode zurückbewegt wird, bevor das Schweißen beginnt.
Während des
Arbeitszyklus können
die Elektrodenpositionen und die Hauptbogen-Energiedichte infolge
der Steuerprogramm-Parameter derart verändert werden, dass die Bogen-Charakteristiken
für eine
optimale Leistung an den Start- und Endpunkten der Schweißnähte optimiert
sind. Diese Möglichkeit
erleichtert höhere
Qualitäten
der Nähte
und dehnt die Anwendbarkeit des Plasma-Schweißens aus und bietet ferner ein
weitaus vereinfachteres Verfahren gegenüber dem Stand der Technik zum
Schweißen
verschiedener Typen von Nähten.
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Zusätzlich zu den oben bereits
beschriebenen kann die Erfindung auch alternative Ausführungsbeispiele
haben.
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Der Schweißbrenner-Aufbau kann mit Bezug auf
seine Wasser-, Gas- und elektrischen Einbauten stark variiert werden.
Die wesentliche Beschreibung der Erfindung ist, dass der Elektrodenhalter
in dem Schweißbrenner-Körper mittels
einer Kugelzapfen-Verbindung oder eines anderen, ähnlichen
Anschlusses mit mindestens zwei Freiheitsgraden befestigt ist, um
die Bewegung der Elektrodenspitze während des Positionseinstellens
zu erlauben. Obwohl zu einer Schraubbefestigung der Elektrode unterschiedliche
Befestigungsverfahren brauchbar sind, machen die Eigenschaft der
guten Wärmeleitfähigkeit
und die zuverlässige
Funktion einer geschraubten Elektrodenbefestigung diese zu einer
bevorzugten Alternative. Ferner muss die Befestigung des Elektrodenhalters
eine solche Struktur haben, dass die Befestigung an einer Rotation
um ihre longitudinale Achse gehindert wird. Hier ist eine hexagonale
Form ohne Ausschluss anderer möglicher
Aufbauten vorteilhaft. Die Elektrode zusammen mit ihrer Befestigung
kann auch in einem einzelnen Element hergestellt sein, jedoch werden
dann die Kosten der Elektroden unnötigerweise erhöht werden.
Die Gegen-Gewindegänge der
Elektrodenbefestigung und der Stange ihrer Einstellvorrichtung können auf
rückseitigen
Flächen
hergestellt sein, so dass die Befestigung mit einem Außengewinde
bereitgestellt wird und die Einstellvorrichtung mit einer Hülse mit
einem Innengewinde ausgerüstet
wird. Der Steuerknopf und das Gewindeteil können auch in einem einzelnen Stück gefertigt
sein oder alternativ permanent aneinander befestigt sein, jedoch
kann dann das an die Einstellvorrichtung angelegte Drehmoment ein
Verschieben der Elektrodenspitze unter einigen Umständen verursachen.