DE69815538T2

DE69815538T2 - Verbesserte schweissbrenner und verwendungsverfahren

Info

Publication number: DE69815538T2
Application number: DE69815538T
Authority: DE
Inventors: David Royd O'neill
Original assignee: La Soudure Autogene Francaise
Current assignee: Lincoln Electric Co France SA
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: WO1998036865A1; DE69815538D1; EP1009575B1; NZ314266A; CA2282340A1; ES2201448T3; AU6313098A; ATE242673T1; AU740067B2; EP1009575A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft mit Schweißen in Verbindung stehende Verfahren und Vorrichtungen. Zu vergleichbaren Schweißtechniken, mit denen sich diese Patentschrift befaßt, zählen die TIG- und MIG-Schweißmethoden. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Schweißmethoden und Vorrichtungen mit automatischer Zuführung.
STAND DER TECHNIK
Lichtbogenschweißmethoden sind seit einiger Zeit bekannt. Solche Methoden werden üblicherweise noch angewendet und umfassen in der einfachsten Form eine sich von einem Handteil aus erstreckende Elektrodenspitze, die in Kontakt und anschließend in die Nähe eines Werkstücks gebracht wird, wobei der entstehende Bogen zwischen der Spitze und dem Werkstück eine Schweißnaht in der Schweißzone bewirkt.
Im Laufe der Weiterentwicklung der Schweißmethoden, und auch um Nichteisen-Metalle oder Speziallegierungen bearbeiten zu können, sind neue Schweißmethoden eingeführt worden. Viele von diesen basieren auf der Einführung von Inertgasen in die Schweißzone, um eine Verringerung der Oxidation oder eine Änderung anderer Eigenschaften der gebildeten Schweißnaht zu bewirken. Die derzeit üblichsten dieser Schweißmethoden sind die MIG-(Metall-Inertgas)-Methode und die TIG-(Wolfram-Inertgas)-Schweißmethode.
Bei den MIG- und TIG-Schweißmethoden wird typischerweise ein handgehaltener Schweißbrenner verwendet. Eine Elektrode ragt aus dem Schweißbrenner heraus, während Düsen Inertgase in die Nähe der Elektrodenspitze und somit der Schweißzone leiten. Ein Schweißdraht wird der Schweißzone entweder manuell oder automatisch zugeführt. An der Schweißbrennereinheit sind typischerweise Führungen vorgesehen, um sicherzustellen, daß der Draht der Schweißzone zugeführt wird. Die Anordnung ist typischerweise so vorgesehen, daß der Draht im wesentlichen senkrecht (typischerweise in einem Winkel zwischen 70° und 90°) zur Ebene der Arbeitsfläche oder zur Schweißfuge in der Schweißzone zugeführt wird.
In der Praxis bereitet der Benutzer den Bogen und die Schweißnaht vor und zieht dann den Schweißbrenner manuell an der (zu bildenden) Schweißfuge entlang. Das Ergebnis ist ein fortschreitender geschmolzener Abschnitt, dem der Schweißdraht vom Benutzer manuell kontinuierlich zugeführt wird. Wenn der Schweißer erfahren und fachlich qualifiziert ist, entsteht als Ergebnis eine relativ saubere Schweißnaht, die das Aussehen einer Reihe von Wellen oder Halbmonden entlang der Länge der Schweißnaht aufweist. Je erfahrener und fachlich qualifizierter der Benutzer ist, um so kleiner sind diese Wellen und Grate und um so weniger davon entstehen.
Diese Wellen oder Grate entstehen, zumindest teilweise, dadurch, daß der Schweißbrenner entlang dem Werkstück mit einer nicht konstanten Geschwindigkeit bewegt und der Schweißdraht nicht mit einer damit in Einklang stehenden Rate zugeführt wird. Selbst für die erfahrensten und fachlich qualifiziertesten Bedienungskräfte ist es im Falle der idealsten Arbeitsflächen unmöglich, eine Schweißnaht zu bilden, die völlig frei von solchen Wellen oder Graten ist. Bei fachlich weniger qualifizierten Bedienungskräften können derartige Wellen oder Grate in hoher Anzahl sind in ganz unterschiedlichen Größen entstehen.
Bei einigen Anwendungen können solche Wellen oder Grate (wenn sie in Größe und Form minimal sind) bedeutungslos sein. Bei den meisten Anwendungen kann es jedoch notwendig sein, die Grate in einem gewissen Umfang abzuschleifen, um die Schweißnaht zu glätten. In Industriebranchen, die mit Lebensmitteln zu tun haben, wo typischerweise rostfreie Stähle verwendet werden, müssen alle Schweißverbindungen aus Gründen der Hygiene absolut glatt sein. Dementsprechend werden viel Zeit und Mühe aufgewendet, um Schweißnähte zu glätten und zu reinigen.
Ein weiterer Nachteil nach dem Stand der Technik besteht darin, daß das Reinigen im Bereich der Schweißnähte (zur Entfernung von Schweißnebenprodukten) durch das Vorhandensein von Wellen und Graten erschwert wird. Es besteht außerdem die Tendenz, daß bei einer größeren Anzahl von Oberflächenunregelmäßigkeiten ein um so größerer Reinigungsaufwand erforderlich ist, um Oxidation und andere unerwünschte Nebenprodukte zu entfernen. Wenn also eine absolut glatte und regelmäßige Schweißnaht erzielt werden kann, wird demzufolge der Reinigungsaufwand typischerweise auf ein Minimum reduziert und jegliches zusätzliches Abschleifen oder Bearbeiten der Schweißnaht überflüssig.
Ein weiterer Nachteil nach dem Stand der Technik ist die Maximalgröße des Schweißdrahts, die erfolgreich verwendet werden kann. Schweißdraht wird typischerweise verwendet, um der Schweißzone zusätzliches Material zuzuführen, um jegliche Spalte auszufüllen oder eine Kehlnaht zwischen den zu verbindenden Teilen zu bilden. Im Rahmen bestehender MIG- und TIG-Techniken gibt es jedoch eine Maximalgröße, die in der Praxis beim Schweißen verwendet werden kann. Eine verwendbare Maximalgröße beträgt typischerweise 1,6 mm, wobei es mit Drähten, die einen größeren Durchmesser besitzen, schwierig ist, diese zu handhaben oder sie zur Bildung guter Schweißnähte zu verwenden.
Ein weiterer Nachteil nach dem Stand der Technik ist die Geschwindigkeit, mit der Schweißnähte gebildet werden. Die Geschwindigkeit hängt typischerweise von den Fachkenntnissen und Erfahrungen des Benutzers ab, obwohl es auch für den erfahrensten Benutzer eine Maximalgeschwindigkeit gibt, bei der sie den Schweißbrenner steuern und mit einer konstanten Geschwindigkeit weiterziehen kann.
Ein weiterer Nachteil nach dem Stand der Technik hängt auch mit der Geschwindigkeit zusammen, mit der der Benutzer einen Schweißbrenner (in einer gleichmäßigen Weise) manuell steuern kann. Dieses Problem betrifft die Wärme innerhalb der Schweißzone -größere Wärme kann bessere Schweißnähte bewirken und die Verwendung von Schweißdrähten mit größerem Durchmesser zulassen. Wenn jedoch die Wärme über eine zu lange Zeitdauer aufrechterhalten bleibt, kann es als Folge davon zu einer übermäßigen Erwärmung und einem Durchbrennen in der Schweißzone kommen. Demzufolge können bestimmte Gasgemische, die zu einer saubereren oder besseren Schweißnaht führen könnten, nicht verwendet werden, weil sie auch die Temperatur innerhalb der Schweißzone erhöhen. Dementsprechend können einige Spezialgasgemische, die vorzugsweise eingesetzt oder verwendet werden könnten, in den meisten Anwendungen nicht erfolgreich eingesetzt werden.
In der europäischen Patentschrift EP 0 803 309 werden Versuche nach dem Stand der Technik beschrieben, die sich mit einigen der vorstehend erwähnten Probleme befassen. Die beschriebene Erfindung betrifft einen Heißdraht-TIG-Schweißbrenner, der (von der Schweißbrennereinheit aus) die Fernsteuerung einer dazugehörigen automatischen Schweißdrahtzuführungsvorrichtung zuläßt. Obwohl dadurch einige Aspekte der Steuerung für die Bedienungskräfte verbessert werden – indem es ihnen beispielsweise ermöglicht wird, die Schweißdrahtzuführungsgeschwindigkeit automatisch an ihre Schweißgeschwindigkeit anzupassen – werden dadurch Probleme, die mit der Herstellung gleichmäßiger Schweißnähte verbunden sind, noch nicht gelöst. Das beschriebene System ist bestenfalls nur halbautomatisch – und wird auch als solches beschrieben – und hängt immer noch weitgehend von der Geschicklichkeit des Benutzers ab, eine zufriedenstellende Schweißnaht herzustellen.
Auf ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, das nachstehend ausführlicher beschrieben wird, nämlich die Verwendung der automatischen Zuführung des Schweißdrahts, um die Schweißbrennereinheit mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit weiterzutreiben, wird in der vorerwähnten Patentschrift nicht eingegangen. Zusätzlich schließen Merkmale, wie beispielsweise der kurvenförmige Zuführungsweg für den Schweißdraht, allgemein eine solche Steuerung aus und schränken auch die Verwendung stärkerer Schweißdrähte in solchen Fällen ein, in denen eine Weiterbewegung des Schweißbrenners mit konstanter Geschwindigkeit manchmal notwendiger ist.
Die Arbeit von Itsuro Tatsukawa et al. mit dem Titel "The influence of filler metal on weld bead penetration and shape in automatic TIG welding" ["Der Einfluß von Elektrodenmetall auf die Schweißraupenpenetration und -form beim automatischen TIG-Schweißen"] in Welding Production, Band 2, Nr. 1, 1988, Cambridge, GB, Seiten 26–32, beschreibt ein Verfahren und einen Schweißbrenner in Übereinstimmung mit den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 13.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sich mit den vorstehenden Problemen auseinanderzusetzen oder der Öffentlichkeit zumindest eine nützliche Wahl zur Verfügung zu stellen.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachstehende Beschreibung, die lediglich beispielhaften Charakter hat, verdeutlicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer durchlaufenden Schweißnaht unter Verwendung einer Schweißbrennereinheit gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schweißbrennereinheit gemäß Anspruch 13 bereitgestellt.
Eine sich aus dem Stand der Technik ergebende Einschränkung stellte die Schwierigkeit dar, eine durchlaufende gleichmäßige Schweißnaht zu bilden. In den meisten Fällen beruhte dieses Problem darauf, daß ein Benutzer nicht in der Lage war, einen Schweißbrenner entlang einem Werkstück in einer konstanten und kontinuierlichen Weise weiterzubewegen und den Schweißdraht auch mit der gleichen Rate zuzuführen. Dies ist eine der Schwierigkeiten, die die vorliegende Erfindung beseitigen möchte.
Die vorliegende Erfindung möchte dieses Problem dadurch beseitigen, daß Mittel bereitgestellt werden, mit denen der Schweißbrenner entlang dem Werkstück automatisch weitergetrieben wird (im Rahmen dieser Patentschrift soll der Begriff "Werkstück" auch zwei oder mehr Gegenstände beinhalten, die durch Schweißen miteinander verbunden werden). Während es eine Reihe unterschiedlicher Verfahren gibt, auf die zurückgegriffen werden kann, um einen Schweißbrenner entlang einem Werkstück weiterzutreiben, beruht das bevorzugte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung darauf, daß der Schweißdraht, während er der Schweißzone zugeführt wird, den Schweißbrenner weitertreibt.
Einfach ausgedrückt: Der Schweißdraht innerhalb der Schweißzone wird mit dem Werkstück in Verbindung gebracht und übt gegenüber der Bewegung des Werkstücks einen Widerstand aus. Ausführlicher gesagt: Der Schweißdraht wird nicht fest am Werkstück fixiert, da allgemein jeglicher Abschnitt des Schweißdrahts innerhalb der Schweißzone geschmolzen wird. Trotzdem gibt es jedoch noch einen Widerstand, falls der Schweißdraht weiter in die Schweißzone hineingedrückt wird. Dieser Widerstand ist für bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für eine praxisgerechte Realisierung ausreichend.
Um die Beschreibung einfach zu gestalten, sei darauf hingewiesen, daß der Schweißdraht im Verhältnis zum Werkstück an der Schweißzone fixiert ist. Demzufolge kann der Schweißdraht beim Ziehen (oder, genauer gesagt, beim Schieben) des Schweißbrenners entlang dem Werkstück als eine Auflage verwendet werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird auf automatische Schweißdrahtzuführungssysteme zurückgegriffen. Da der Schweißdraht im Verhältnis zum Werkstück nicht nach hinten gezogen werden kann, hat das automatische Schweißdrahtzuführungssystem die Wirkung, daß der Schweißbrenner entlang dem Werkstück mit einer konstanten Rate weitergeschoben wird, vorausgesetzt, daß gewisse Bedingungen erfüllt sind.
Diese Bedingungen betreffen zumindest teilweise den Winkel, in dem der Schweißdraht dem Werkstück zugeführt wird. In praktisch allen Geräten nach dem Stand der Technik, die der Anmelderin bekannt sind, wird der Schweißdraht nahezu senkrecht (üblicherweise in einem Winkel von 70° bis 90°) dem Werkstück zugeführt. Dies ist in vielerlei Hinsicht unvorteilhaft, weil jegliche Wirkung, die durch die Rückkraft entsteht, die sich aus dem gegen das Werkstück schiebenden Schweißdraht ergibt, zur Folge haben würde, daß der Schweißbrenner vom Werkstück weggeschoben wird. Dabei besteht die Neigung, daß dann der Bogenabstand, der eine direkte Auswirkung auf die entstehende Schweißnaht hat, verändert wird. Dadurch wird die Qualität der Schweißnaht vermindert, weil der Benutzer den Schweißbrenner nicht nur mit einer konstanten Geschwindigkeit weiterziehen, sondern ihn auch auf einer konstanten Höhe halten muß.
Im Gegensatz dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, den Zuführungsdraht dem Werkstück mit einem angemessen spitzen Winkel zuzuführen, so daß die resultierende Rückkraft (verursacht durch den Widerstand des Schweißdrahts gegenüber einer Bewegung im Verhältnis zum Werkstück) den Schweißbrenner in einer Richtung mit einer horizontalen Hauptkomponente und in der Richtung der zu bildenden Schweißnaht weitertreibt. Dies wird typischerweise dadurch erreicht, daß der Schweißdraht der Schweißzone in einem Winkel von 50° oder weniger zugeführt wird. Dieser Winkel wird im Verhältnis zur Ebene des Werkstücks (in der Annahme, daß es planar ist) oder zur Schweißfuge gemessen. Bei nicht linearen und nicht planaren Werkstücken ist damit die Naht oder Ebene des Werkstücks an der Schweißzone gemeint.
Der bevorzugtere Winkel beträgt 30° bis einschließlich 45°, obwohl dies in unterschiedlichen Ausführungsformen variieren kann. Bei der Schweißbrennerauslegung sind auch noch weitere Punkte in Betracht zu ziehen. Dazu kann zählen, daß der Benutzer den Schweißbrenner halten und steuern kann. Kompaktheit ist ein weiterer Gesichtspunkt, da sehr spitze Winkel übermäßig lange Schweißdrahtzuführungen zur Folge haben können, wodurch die Verwendung der Schweißbrennereinheit in schwierigen oder begrenzten Räumen eingeschränkt wird.
Ein weiterer Gesichtspunkt besteht darin, wie der Schweißdraht der Schweißzone zugeführt oder zugeleitet wird. Dies erfolgt vorzugsweise in einem im wesentlichen geraden Weg, der keine Kurven oder Biegungen aufweist. Die Wirkung des automatisch zugeführten Schweißdrahts besteht darin, daß die Schweißbrennereinheit mit einer Geschwindigkeit, die der Zuführungsgeschwindigkeit proportional ist, weitergetrieben wird. Mit jeglichem Widerstand gegenüber der freien Bewegung des Schweißdrahts nimmt die Möglichkeit, die Schweißbrennereinheit problemlos entlang dem Werkstück weiterzutreiben, ab. Von der Anmelderin durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß Kurven, die kleiner als die in den Zeichnungen der EP 0 803 309 dargestellten Kurven sind, nachteilig sein können, und dies gilt insbesondere für Schweißdrähte mit größerem Durchmesser. In vielen Fällen erwiesen sich herkömmliche und handelsübliche automatische Schweißdrahtzuführungsvorrichtungen als ungeeignet, es sei denn, daß Schweißdrähte mit kleinerem Durchmesser verwendet wurden und/oder der endgültige Zuführungsweg für den Schweißdraht im wesentlichen gerade oder nur sehr schwach kurvenförmig ausgebildet war. Wenn der Schweißdraht das Werkstück direkt berührte, stoppte die automatische Zuführungsvorrichtung aufgrund des vom Draht bewirkten Widerstands. Demzufolge verwenden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im wesentlichen gerade oder nur schwach kurvenförmig ausgebildete Schweißdrahtzuführungsabschnitte.
Die Anmelderin hat in Versuchen festgestellt, daß bei Einsatz automatischer Schweißdrahtzuführungsmittel, wenn der Schweißdraht innerhalb des vorstehenden Bereichs von Winkeln zugeführt wird, der Schweißbrenner mit einer konstanten Rate entlang dem Werkstück weitergetrieben wird. Ein Vorteil davon besteht darin, daß der Schweißdraht, im Verhältnis zum weitergetriebenen Schweißbrenner, mit im wesentlichen der gleichen Rate (oder zumindest mit einer geeigneten und proportionalen Rate) zugeführt wird. Während der Versuche wurden durchgehend Schweißnähte ohne sichtbare Wellen oder Grate erzielt. Diese Schweißnähte erforderten kein Abschleifen und nur eine minimale Reinigung von Oxidationsnebenprodukten, die sich problemlos durch minimales Abbürsten per Hand entfernen ließen. Dies stellt einen bedeutsamen Vorteil gegenüber dem dar, was sich nach dem Stand der Technik erzielen läßt.
Andere Vorteile können auch in verschiedenen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung realisiert werden. Während der Versuche wurden Schweißnähte typischerweise mit zwischen 300 und 500 mm pro Minute liegenden linearen Raten gebildet. Dies stellt, verglichen mit traditionellen Handschweißungen, bei denen der Benutzer den Schweißbrenner entlang dem Werkstück ziehen muß, eine dreifache Erhöhung der Geschwindigkeit dar. Bei anschließenden Versuchen wurden Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 1000 mm pro Minute erzielt. Es wurde außerdem festgestellt, daß weniger erfahrene Benutzer auch mit höheren Ratten schweißen und dennoch Schweißnähte von außergewöhnlicher Qualität herstellen können.
Ein weiterer realisierbarer Vorteil in vielen Ausführungsformen ist die Tatsache, daß eine Hand des Benutzers freibleiben kann. Wenn nicht automatische Schweißdrahtzuführungssysteme eingesetzt werden, ist es üblich, daß der Benutzer seine zweite Hand benutzt, um den Schweißdraht der Nähe der Schweißnaht zuzuführen. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die zweite Hand jedoch nicht mehr benötigt. Dies bedeutet, daß der Benutzer beide Hände zum Halten und Steuern des Schweißbrenners benutzen kann, wodurch eine noch bessere Steuerung hinsichtlich der Qualität der fertiggestellten Schweißnaht ermöglicht wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können außerdem noch andere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bieten. So können beispielsweise Schweißdrähte mit einem über dem Durchschnitt liegenden Durchmesser ohne Schwierigkeiten verwendet werden. In der Vergangenheit waren Schweißdrähte typischerweise auf einen Durchmesser von 1,6 mm begrenzt. Dies ist zumindest teilweise auf den kurvenförmigen Führungsweg für den Schweißdraht zurückzuführen. Auch das Schweißen mit Schweißdrähten mit größerem Durchmesser kann teilweise wegen der größeren Wärme, die für die Bildung einer wirksamen Schweißnaht benötigt wird, für einen Benutzer schwieriger sein. Die Erzeugung einer größeren Wärmemenge in der Schweißzone hat möglicherweise Probleme zur Folge, falls die Wärme über einen zu langen Zeitraum aufrechterhalten wird, und dies stellt Anforderungen an das Fachwissen des Benutzers.
Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden jedoch routinemäßig Schweißdrähte mit Durchmessern zwischen 1,6 mm und 3,2 mm ohne erkennbare Schwierigkeit verwendet. Dies wurde bei Schweißbrennereinheiten mit im wesentlichen geraden Schweißdrahtführungsabschnitten festgestellt. Es wird in Betracht gezogen, daß auch Schweißdrähte oder -stäbe mit größerem Durchmesser mit nur geringer Schwierigkeit ebenfalls verwendet werden könnten. Desgleichen wird davon ausgegangen, daß auch höhere Schweißgeschwindigkeiten (gemessen in mm pro Minute) in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzielt werden könnten, und die höhere Geschwindigkeit (Begrenzung einer örtlichen Überhitzung) war ein Grund dafür, warum wirksame haltbare Schweißnähte mit Schweißdrähten mit größerem Durchmesser erzielt werden können.
Eine andere Schwierigkeit nach dem Stand der Technik bestand darin, daß es Einschränkungen hinsichtlich der Verwendung von Spezialgasen gab. Der Begriff "Spezialgasgemisch" schließt jegliches Gas oder Gasgemisch ein, das dem Schweißbrenner und der Schweißzone zugeführt werden kann. Dazu zählen nicht nur Gase und Gasgemische (wie beispielsweise Argon oder Argon/Helium-Gemische), die normalerweise beim MIG- und TIG-Schweißen verwendet werden, sondern auch andere Gasgemische, die normalerweise weniger oder überhaupt nicht verwendet werden. Dies schließt Gasgemische, wie beispielsweise Argon/Helium/Wasserstoff, ein.
Einige dieser Spezialgasgemische können zu Schweißnähten mit verbesserter Qualität führen oder das Schweißen schwieriger Metalle ermöglichen. So würde beispielsweise ein Argon/Helium/Wasserstoff-Gasgemisch für das Schweißen einiger oxidierbarer Metalle bevorzugt. Aufgrund der reduzierenden Eigenschaft des Wasserstoffs besteht die Tendenz, Oxidationsnebenprodukte zu reduzieren. Die Verwendung derartiger Gemische hat jedoch auch einen sehr heißen Bogen innerhalb der Schweißzone zur Folge, wodurch es wiederum zu Schwierigkeiten hinsichtlich örtlicher Temperatur und Wärme innerhalb der Schweißzone kommt. Demzufolge wären nur die erfahrensten und fachlich qualifiziertesten Schweißer eventuell in der Lage, unter Verwendung solcher Gasgemische zu schweißen. Aber selbst die Geschwindigkeit der schnellsten Schweißer kann zu langsam sein, um haltbare Schweißnähte guter Qualität ohne Beschädigung des Werkstücks zu erzielen.
Die höhere Geschwindigkeit und die bessere Steuerung des Schweißbrenners in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch bedeuten, daß ein zum Schweißen schwieriger Metalle (beispielsweise Aluminium) geeigneteres Gasgemisch verwendet werden kann und Schweißnähte in schwierigen Materialien durch weniger erfahrene Schweißer gebildet werden können.
Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann einfach nur eine Modifizierung bestehender Schweißbrenner umfassen, obwohl auch speziell konstruierte Schweißbrenner verwendet werden können. Die Hauptunterschiede zwischen bevorzugten Ausführungsformen von Schweißbrennern gemäß der vorliegenden Erfindung und solchen nach dem Stand der Technik sind der Winkel, in dem der Schweißdraht der Schweißzone zugeführt wird, und auch der relativ gerade Weg zur Schweißzone, der vom Schweißdrahtführungsabschnitt bereitgestellt wird.
Das Zuführen des Schweißdrahts in einem im wesentlichen senkrechten Winkel zum Werkstück, wie nach dem Stand der Technik üblich, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht akzeptabel, und die Führungen zum Zuführen des Schweißdrahts zu der Schweißzone müssen somit so positioniert sein, daß der Schweißdraht in einem akzeptableren Winkel zugeführt wird. Im Idealfall, wenn der Schweißbrenner gegenüber dem Werkstück korrekt ausgerichtet gehalten wird, wird der Schweißdraht der Schweißzone in einem Winkel von 50° oder weniger (im Verhältnis zur Ebene oder Linie der Schweißfuge an der Schweißzone) zugeführt. Das Zuführen des Schweißdrahts in spitzeren Winkeln zum Werkstück (30° oder weniger) kann, falls möglich, in einigen Fällen bevorzugt werden, obwohl sich daraus Schwierigkeiten hinsichtlich der Konstruktion des Schweißbrennerhandteils ergeben können. Zusätzlich kann das Zuführen des Schweißdrahts in außergewöhnlich spitzen Winkeln möglicherweise Probleme hervorrufen, da die Länge des Schweißbrenners (entlang der Schweißrichtung gemessen) zunehmen kann, wodurch die Handhabbarkeit des Schweißbrenners in engen Räumen abnehmen kann. Demzufolge wird in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung typischerweise versucht, den Schweißdraht der Schweißzone in einem Winkel von 30° bis einschließlich 45° zuzuführen. Dies scheint für die meisten Anwendungen der vorliegenden Erfindung akzeptabel zu sein.
Ein weiterer Gesichtspunkt betrifft den Punkt, an dem der Schweißdraht angelegt wird. In den meisten Ausführungsformen wird der Schweißdraht zu einem Punkt hin angelegt, der sich zwischen der Spitze der Elektrode und dem Werkstück befindet. Dabei handelt es sich typischerweise um einen Punkt innerhalb des Bogens. Dies ist für die meisten Anwendungen geeignet, auch für typische Stumpfschweißmethoden. Obwohl diese Anordnung auch zum Schweißen von Kehlnähten geeignet ist, kann jedoch häufig auch ein gewisser Vorteil dadurch erzielt werden, daß der Schweißdraht an einem höheren Punkt – z. B. einem Punkt, der näher an der Spitze der Elektrode oder sogar an der Elektrode selbst liegt – angelegt wird. Dies kann ein früheres Schmelzen des Schweißdrahts zur Folge haben, insbesondere wenn ein Heißdrahtsystem (in dem der Schweißdraht geladen ist) verwendet wird, das mehr geschmolzenen Schweißdraht auf dem Werkstück ablagern kann, so daß ein stärkerer Kehlnahtaufbau ermöglicht wird. Die Anordnung kann dadurch verstärkt werden, daß der Schweißdraht in einem kleineren Winkel im Verhältnis zum Werkstück (im wesentlichen 20° oder weniger) oder im wesentlichen senkrecht (innerhalb von 15° zur Senkrechten) zur Achse der Elektrode angelegt wird.
In Versuchen ist festgestellt worden, daß solche Anordnungen immer noch ausreichenden Widerstand gegenüber der Weiterbewegung des zugeführten Schweißdrahts innerhalb der Schweißzone bieten, um die Schweißbrennereinheit entlang dem Werkstück weiterzutreiben.
Demzufolge können einige Schweißbrennereinheiten den Schweißdraht zu jeder Position hin ausrichten, obwohl Ausführungsformen, in denen der Zuführungswinkel und/oder die Richtung des Schweißdrahts eingestellt werden können, auch in Betracht gezogen werden.
Automatische Schweißdrahtzuführungssysteme sind bekannt und handelsüblich und können im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Es wird jedoch, obwohl es nicht erforderlich ist, bevorzugt, Systeme mit Steuerungsmechanismen zu verwenden, die die automatische Schweißdrahtzuführung anhalten, wenn auch die Stromversorgung zur Elektrode abgeschaltet ist, und die wieder zu arbeiten beginnen, wenn die Schweißarbeiten wiederaufgenommen werden. Hier kann für die Schweißbrennereinheit eine gewisse Form von Steuerung oder Auslöser bereitgestellt werden. Diese bzw. dieser kann mit der Stromsteuerung zum Elektrodenschalter zusammenwirken. Eine variable Geschwindigkeitssteuerung ist ebenfalls eine Möglichkeit. Proportionalgeschwindigkeitssteuerungen kommen bei vielen Elektrowerkzeugen zum Einsatz, und diese Methoden können in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
Zu anderen Modifizierungen der Schweißbrennereinheiten zählt die Möglichkeit, die Position der Schweißdrahtzuführung zu verändern. Dies kann einfach dadurch erreicht werden, daß eine die Schweißdrahtführungsabschnitte abstützende bewegbare Konsole vorgesehen wird, die um den Hauptkörper der Schweißbrennereinheit herum schwenkbar ausgeführt sein kann. Dies kann eine Weiterbewegung von links nach rechts oder von rechts nach links zulassen, und es wird dabei der Gesichtspunkt berücksichtigt, ob der Benutzter Links- oder Rechtshänder ist, oder welche Handhabung er bevorzugt. Bewegbare seitliche Handgriffe sind bei vielen Elektrowerkzeugen üblich, wie beispielsweise bei elektrischen Bohrmaschinen und Winkelschleifern, und diese Methoden können bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen.
Zusätzlich können Bausätze und Adaptoren vorgesehen werden, um bestehende Schweißbrennereinheiten für eine Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung umzurüsten. Diese Bausätze können einfach eine Konsole umfassen, die sich an der Schweißbrennereinheit befestigen läßt, um einen Schweißdrahtführungsabschnitt abzustützen. Dies kann auch eine Steuerung automatischer Schweißdrahtzuführungsvorrichtungen von der Schweißbrennereinheit aus zulassen, falls dies mit der bestehenden Einheit nicht möglich ist. Dies kann auch eine Neuverdrahtung des Stromsteuerungsschalters zur Elektrode beinhalten, um eine zusätzliche Steuerung eines externen Geräts zu ermöglichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, die lediglich beispielhaften Charakter hat und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt; dabei sind:
1 eine schematische Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Draufsicht einer mit Methoden nach dem Stand der Technik gebildeten typischen Schweißnaht;
3 eine schematische Seitenansicht einer für Stumpfschweißnähte geeigneten Ausführungsform; und
4 eine schematische Seitenansicht einer für Kehlnähte geeigneten Ausführungsform.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Es wird, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und lediglich beispielhaft, eine Schweißbrennereinheit (allgemein durch den Pfeil 1 gekennzeichnet) bereitgestellt, die eine Einheit mit einem Körper (2) und einem Kopf (3) zur Abstützung einer Schweißelektrode (4) umfaßt und ein Mittel (5) beinhaltet, um ein angeschlossenes Gasgemisch in die Nähe der Elektrode (4) zu lei ten;
bei der ein zur Schweißbrennereinheit gehörendes automatisches Schweißdrahtzuführungsmittel bereitgestellt wird, wobei die Schweißbrennereinheit (1) dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schweißdraht (7), wenn er sich in einer normalen Schweißausrichtung zu einem Werkstück (wie in 1 dargestellt) befindet, der Schweißzone (8) in einem Winkel (9) von 50° oder weniger zur Ebene der Arbeitsfläche oder zur Schweißfuge an der Schweißzone (8) zugeführt wird.
1 zeigt eine typische Schweißbrennereinheit (1), die sich, im Gegensatz zum Zuführungsabschnitt (10) für den Schweißdraht (7), wenig von Einheiten nach dem Stand der Technik unterscheidet. Diese umfaßt eine modifizierte Konsole, die die Führung (12) für den Schweißdraht (7) in einem Abstand und einem Winkel hält, so daß der Schweißdraht (7) der Schweißzone (8) im erforderlichen Winkel zugeführt werden kann. Der Führungsabschnitt (12) führt den Schweißdraht (7) in einem im wesentlichen geraden Weg zur Schweißzone (8). Verbunden mit der Führung (12) ist ein Kabel (13), das mit einer automatischen Schweißdrahtzuführungseinheit verbunden ist. Dieses kann so konstruiert sein, daß es nicht weniger als um einen Mindestradius gebogen werden kann, wodurch sichergestellt ist, daß sich der Schweißdraht während seiner Weiterbewegung von der automatischen Zuführungseinheit zur Schweißbrennereinheit über einen relativ geraden und ungehinderten Weg weiterbewegen kann.
In der Ausführungsform der 1 sind die Konsole und die Schweißdrahtzuführungseinheit (10) unterhalb des Schweißbrennerhandgriffs (2) dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann die Schweißdrahtzuführungseinheit (10) in anderen Positionen, wie beispielsweise senkrecht zum Schweißbrennerhandgriff (2)(in der Draufsicht) oder diametral gegenüber oder in dazwischen befindlichen Positionen, insbesondere durch Drehung des Kragens (20) (siehe nachstehende Beschreibung), fixiert sein.
Die dargestellte Ausführungsform stellt einen drehbaren Kragen (20) zur Befestigung der Konsole an der Schweißbrennerkopfeinheit (3) bereit. Dieser ermöglicht es, die Konsole und die Schweißdrahtzuführung nach Bedarf zu schwenken und in der Höhe zu verändern.
Ein einstellbares Gelenk (30) kann auch vorgesehen sein, um eine Einstellung des Punktes zuzulassen, an dem der Schweißdraht zugeführt wird (siehe auch die 3 und 4).
3 zeigt eine Ausführungsform (50), die hauptsächlich für Standardstumpfschweißungen geeignet ist. Sie ist praktisch mit der Ausführungsform der 1 identisch, zeigt aber die Anordnung, in der die Konsole (51) alternativ zum Schweißbrennerkörperabschnitt (52) montiert ist. Sie stellt auch eine interne Wasserkühlung bereit (nicht sichtbar, aber bereits Bestandteil vieler Schweißbrennerausführungen), die die Verwendung größerer Stromstärken zuläßt. Dies ist insbesondere für höhere Schweißgeschwindigkeiten nützlich.
Die Position, der der Schweißdraht (53) zugeführt wird, ist auch deutlicher dargestellt. Dies steht im Gegensatz zu der Ausführungsform (60) der 4, in der der Draht (61) in einem spitzeren Winkel und mehr zur Spitze der Elektrode (62) hin zugeführt wird. Diese letztere Ausführungsform ist mehr für Kehlnähte ausgelegt, und es besteht dabei die Neigung, der gebildeten Schweißnaht Schweißdraht in einer größeren Menge zuführen zu können.
In der Praxis wird die Schweißbrennereinheit (1) in die Nähe des Werkstücks gebracht. Zu Beginn des Schweißens wird ein geringfügiger Druck ausgeübt, so daß eine gewisse Reibung zwischen dem Schweißdraht (7) und dem Werkstück (15) besteht. Wenn das Schweißen eingeleitet wird, wird der Schweißdraht (7) von der Führung (12) zugeführt, um den Schweißbrenner weiterzutreiben. Bis zum Beginn des Schweißens kann jedoch ein geringer Rückwiderstand zwischen dem Schweißdraht (7) und dem Werkstück (15) bestehen, wodurch der Schweißbrenner (1) dazu veranlaßt wird, sich weiterzubewegen. Demzufolge sollte ein gewisser anfänglicher, nach unten gerichteter Druck ausgeübt werden, um eine Reibung zwischen dem Schweißdraht (7) und dem Werkstück (15) zu bewirken, bis die beiden durch das Schweißen miteinander verschmolzen sind. Danach bewirkt der Schweißdraht (7), daß sich der Schweißbrenner (1) mit einer konstanten Rate weiterbewegt. Der Benutzer muß dann nur noch sicherstellen, daß das Gerät in der gleichen Ausrichtung und im erforderlichen Abstand vom Werkstück verbleibt.
Der im wesentlichen gerade Führungsweg erweist sich bei dem vorstehend beschriebenen Vorgehen als hilfreich. Versuche mit kurvenförmigen Führungswegen zeigen, daß der Gesamtwiderstand am Schweißdraht, wenn Kontakt mit dem Werkstück aufgenommen wird, für die meisten bestehenden automatischen Zuführungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik zu groß ist, um einen nützlichen Bereich von Schweißdrahtstärken einsetzen zu können. Folglich lassen Schweißgeräte und -methoden nach dem Stand der Technik normalerweise keine Berührung des Schweißdrahts und des Werkstücks zu. Statt dessen muß der Benutzer die Schweißbrennereinheit oft über dem Werkstück auf einer Höhe halten, von der aus der geschmolzene Schweißdraht innerhalb der Schweißzone auf das Werkstück tropfen kann. Dies ist zum Teil für die Wellen in den meisten Schweißnähten verantwortlich und stellt hohe Anforderungen an die Fachkenntnisse des Benutzers, um den Schweißbrenner und den Schweißdraht in einer gleichbleibenden Höhe zu halten. Jegliche Veränderung führt zu Fluktuationen des Bogens, wodurch dann die Bedingungen innerhalb der Schweißzone und damit die entstehende Schweißnaht verändert werden. Im Gegensatz dazu läßt es der Kontakt zwischen dem Draht und dem Werkstück in Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung zu, die Schweißbrennereinheit leichter in einer konstanten Höhe zu halten, was wiederum zu einer haltbareren Schweißnaht über ihre gesamte Länge beiträgt.
Das Ergebnis ist eine Schweißnaht, die im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Schweißnaht, die eine typische Schweißnaht nach dem Stand der Technik ist, praktisch zu 100% frei von jeglichen Graten oder Wellen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Wolframelektrode verwendet, obwohl andere Metallelektroden gemäß den verschiedenen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden können.
Es können auch unterschiedliche Gasgemische eingesetzt werden. Neben traditionellen Gasgemischen, die zum Einsatz kommen können, kann auch das nachstehende Gasgemisch für das Schweißen von Edelstahl verwendet werden:

15–70% Helium

3–10% Wasserstoff

25–80% Argon

bis zu insgesamt 100%.
Ein bevorzugtes Gasgemisch setzt sich in etwa wie folgt zusammen:

20% Helium

5% Wasserstoff

75% Argon

bis zu insgesamt 100%.
Für Aluminium kann das nachstehende Gasgemisch als Alternative zu üblicherweise eingesetzten Gasgemischen verwendet werden:

20–50% Helium

50–80% Argon

bis zu insgesamt 100%.
Ein spezifischeres Gasgemisch zur Verwendung für Aluminium umfaßt:

20% Helium

80% Argon.
Obwohl für Schweißarbeiten gemäß der vorliegenden Erfindung noch Fachkenntnisse benötigt werden, trägt die Tatsache, daß einige der bisher vom Benutzer durchgeführten Arbeiten nunmehr automatisch durchgeführt werden, dazu bei, die Qualität der entstehenden Schweißnaht zu verbessern. Da der Schweißdraht automatisch zugeführt wird und dazu beiträgt, den Schweißbrenner mit einer konstanten Geschwindigkeit weiterzutreiben, kann der Benutzer beispielsweise beide Hände an der Schweißbrennereinheit lassen. Im Gegensatz dazu benutzt der Benutzer bei vielen bestehenden Einheiten nach dem Stand der Technik eine Hand, um sicherzustellen, daß sich sowohl der Schweißbrenner als auch die Elektrode im korrekten Abstand über dem Werkstück befinden, während er die andere Hand benutzt, um sicherzustellen, daß der Schweißdraht im korrekten Abstand von der Elektrode ist, um zu schmelzen und nach unten in die Schweißzone zu fließen. Das Ergebnis besteht darin, daß der Benutzer Tropfen geschmolzenen Schweißdrahts ständig in die Schweißzone fallen läßt. Dies ist für die Wellen- oder Gratbildung bei den meisten Schweißnähten nach dem Stand der Technik verantwortlich.
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind lediglich beispielhaft beschrieben worden, und es versteht sich, daß Modifizierungen und Erweiterungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Bildung einer durchlaufenden Schweißnaht unter Verwendung einer Schweißbrennereinheit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: i) Zuführen eines Schweißdrahts (7) einer Schweißzone (8) in einem Winkel (9) von 50° oder weniger zur Ebene einer Arbeitsfläche oder zur Schweißfuge, wobei der Winkel an der Schweißzone (8) gemessen wird; ii) Schaffen einer Schweißnaht unter Anwendung eines Werkstücks und von Schweißdraht innerhalb der Schweißzone (8); und bei dem der Schweißdraht (7) von der Schweißbrennereinheit (1) aus automatisch der Schweißzone (8) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Spitze des Schweißdrahts gegenüber der neu gebildeten Schweißnaht innerhalb der Schweißzone (8) zur Folge hat, daß die Brennereinheit (1) in der allgemeinen Richtung, in der eine Schweißnaht gebildet werden soll, und mit einer Geschwindigkeit, die der Geschwindigkeit, mit der der Schweißdraht der Schweißzone (8) zugeführt wird, proportional ist, von der neu gebildeten Schweißnaht weggetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Zuführungsweg, an dem entlang der Schweißdraht der Schweißzone zugeführt wird, ein im wesentlichen gerader Weg ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem der Weg des Drahts von der Schweißzone zu seiner Quelle im wesentlichen frei von Kurven ist, die die Bewegung des Drahts in die Schweißzone hinein behindern.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem der Schweißdraht mit einer Rate, die geringer als die maximale Geschwindigkeit der Brennereinheit ist, der Schweißzone zugeführt wird, um eine zufriedenstellende Schweißnaht innerhalb der Schweißzone zu bilden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei dem entweder ein im wesentlichen inertes oder ein reduzierendes Gasgemisch oder beides der Schweißzone zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem ein Gasgemisch zwei oder mehrere der Stoffe Helium, Argon und Wasserstoff umfaßt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei dem der Schweißdraht einen Durchmesser von 1,6 mm oder mehr hat.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei dem der Winkel des Brennerkopfes und der Brennereinheit innerhalb von 30° senkrecht zur Ebene der Arbeitsfläche oder zur Schweißfuge liegt, wobei der Winkel an der Schweißzone gemessen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 bei Verwendung zur Bildung von Kehlnähten, bei dem der Schweißdraht in einem im wesentlichen senkrecht zur Schweißelektrode der Brennereinheit verlaufenden Winkel ausgerichtet ist und sich im wesentlichen mit der Spitze der Elektrode schneidet.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 bei Verwendung zur Bildung von Stoßnähten, bei dem der Schweißdraht zu einem zwischen der Schweißelektrode der Brennereinheit und dem Werkstück befindlichen Punkt hin ausgerichtet ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10 bei Steuerung durch einen Benutzer, wobei die Anordnung so beschaffen ist, daß die Brennereinheit manuell gehalten wird, und wobei die Brennereinheit durch das Zuführen des Schweißdrahts der Zuführungszone mit einer Rate weitergetrieben wird, die in Einklang mit der Bildung einer haltbaren Schweißnaht für das derzeit geschweifte Werkstück steht, wobei der Benutzer die Brennereinheit in der Richtung führt, in der eine Schweißnaht gebildet werden soll.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, bei dem die Brennereinheit mit einer automatischen Drahtzuführungseinheit gekoppelt ist.
Schweißbrennereinheit (1), die folgendes umfaßt: – eine Einheit aus einem Körper (2) und einem Kopf (3) zum Abstützen einer Schweißelektrode (4), wobei die Einheit ein Gasausrichtungsmittel (5) beinhaltet, das ein verbundenes Gasgemisch in die Nähe der Elektrode (4) lenken kann; – einen Schweißdrahtführungsabschnitt (12) für einen Schweißdraht (7), der von einem automatischen Schweißdrahtzuführungsmittel aus zugeführt werden kann, wobei der Schweißdrahtführungsabschnitt (12) den Schweißdraht in einem Winkel von 50° oder weniger zur Ebene einer Arbeitsfläche oder zur Schweißfuge in die Nähe der Elektrode (4) ausrichtet, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin ein Mittel zum Zuführen des Schweißdrahts (7) mit einer Geschwindigkeit umfaßt, deren Horizontalkomponente im wesentlichen der gewünschten Geschwindigkeit entspricht, mit der die Brennereinheit (1) aufgrund des Widerstands des Drahts gegenüber einer neu gebildeten Schweißnaht in der allgemeinen Richtung weitergetrieben wird, in der eine Schweißnaht gebildet werden soll.
Schweißbrennereinheit nach Anspruch 13, bei der der Schweißdrahtführungsabschnitt (12) einen Weg des Schweißdrahts (7) definiert, der im wesentlichen gerade verläuft.
Schweißbrennereinheit nach Anspruch 13, bei der der Schweißdrahtführungsabschnitt (12) den Draht (7) im wesentlichen an der Elektrode (4) oder zu einem Punkt unterhalb der Spitze der Elektrode (4) hin ausrichtet.
Schweißbrennereinheit nach Anspruch 13, bei der der Schweißdrahtführungsabschnitt (12) Schweißdraht (7) mit einem Durchmesser von 1,6 mm oder mehr führen kann.
Schweißbrennereinheit nach Anspruch 13, bei der die Einheit ein Steuerungsmittel, das zumindest ein Signal an eine automatische Schweißdrahtzuführung leiten kann, um die Zuführung zu stoppen, wenn der Benutzer die Stromzufuhr zur Schweißelektrode (4) unterbricht, und/oder ein Mittel beinhaltet, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der der Draht von einer angebauten automatischen Drahtzuführung aus zugeführt wird.