DE69828069T2

DE69828069T2 - Verfahren zum Plasma-Lichtbogenschweißen von Metallen

Info

Publication number: DE69828069T2
Application number: DE69828069T
Authority: DE
Inventors: Alexandr Ivanovich Apunevich; Evgeny Ivanovich Titarenko
Original assignee: Apunevic Aleksandr Ivanovic; Titarenko Evgenij Ivanovic
Current assignee: Apunevic Aleksandr Ivanovic; Titarenko Evgenij Ivanovic
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2018-02-18
Also published as: US6156994A; DE69828069D1; AU736916B2; ES2235316T3; IL131738A0; EP1016489B1; WO1998039133A1; RU2103129C1; ATE284291T1; AU6640098A; PT1016489E; BR9808176A; EP1016489A4; EP1016489A1; CA2285173A1; CA2285173C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Plasma-Lichtbogenschweißen von Metallen und kann im Maschinenbau, im Bauwesen und in anderen Industrien Anwendung finden.
Stand der Technik
Verfahren zum Plasma-Lichtbogenschweißen von Metallen, bei denen eine Schweißtechnik mit einem direkten eingeschnürten Lichtbogen verwendet wird, sind derzeit in einem breiten Gebrauch, wobei Metall mit einem Plasma-Strahl geschmolzen wird (s. US-Patent 4,791,268, IPC B23K 9/00, 1988; SU 1,683,927, IPC B23K 10/00, 1991). Intensiv werden heutzutage auch Verfahren zum Schweißen von Metallen mit einem direkten eingeschnürten Lichtbogen verwendet, der zwischen den Plasmatron-Elektroden und dem Werkstück verläuft (s. SU 880, 654, IPC B23K 10/02, 1981; Textbuch „Micro-plasma-arc welding" herausgegeben von B. Ye. Patton, Ukraine, Kiev, „Naukova dumka publishers, 1979, Seiten 19–21 (in Russisch)). Die oben genannten Verfahren sorgen für die Ausbildung eines Plasma-Strahls durch die Einschnürung einer Bogenentladung mit einem inerten Gas, um hochqualitative geschweißte Verbindungen zu erhalten. Das Vorsehen einer externen Inertgasquelle verursacht jedoch Handhabungsnachteile bei der Ausführung des Verfahrens, während hohe Produktionskosten für das Inertgas und erhebliche Aufwendungen für das Wiederbefüllen von Gasflaschen deutliche Beschränkungen für die praktische Anwendbarkeit der vorgenannten Verfahren des Plasma-Lichtbogenschweißens verursachen. Zusätzlich bedingt die Handhabung von leicht entflammbaren Metallen nicht nur die Verwendung eines plasmaproduzierendes Gases sondern auch eines Schutzgases (s. SU 1,680, 463, IPC B23K 10/02, 1991).
In der Schweißpraxis nach dem heutigen Stand der Technik sind Plasma-Lichtbogen-Schweißbrenner (Plasmatrons) bekannt, bei denen zur Ausbildung eines Plasmastrahls Dampf benutzt wird, der von einem speziellen Dampfgenerator geliefert oder in dem Schweißbrenner selbst durch Verdampfung der Flüssigkeit durch die von den Elektroden freigesetzte Wärme erzeugt wird (s. PCT-Anmeldung RU 93/00053, veröffentlicht am 1. September 1994 unter WO/94/19139). Der letztgenannte Brenner ist äußerst wirtschaftlich und einfach im Betrieb, obwohl seine Verwendung zum Schweißen durch ein intensives Oxidieren des Metalls durch die Gegenwart von Dampf und molekularem und atomaren Sauerstoff in dem Plasmastrahl schwierig ist.
SU-A-1655702 bezieht sich auf selbst wiederherstellende Kathoden in Plasmatrons. Um den Verlust an Kohlenstoff in der Kathode durch eine Verdampfung und durch chemische Reaktionen mit dem Plasma zu ersetzen, wird ein plasmabildendes Gemisch verwendet, das aus einem Alkohol der Fettsäurenreihe und Wasser besteht, wobei der Alkohol 64 bis 67 Gew.-% und Wasser den Rest des Gemisches bildet. Das Gemisch wird in einen Container gefüllt und auf 130 bis 160°C aufgeheizt. Der entstehende Dampf wird in die Kathodenzone geleitet.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, hat zum Ziel die Bereitstellung eines Verfahrens zum Plasma-Lichtbogenschweißen von Metallen unter Verwendung von Dampf als ein plasmaproduzierendes Medium und zur Sicherstellung von hochqualitativen geschweißten Verbindungen aufgrund von verringerten oxidierenden Eigenschaften in dem Plasmastrahl.
Das Wesen der Erfindung liegt in einem Verfahren zum Plasma-Lichtbogenschweißen von Metallen mit einem direkten oder indirekten eingeschnürten Lichtbogen, bei dem der Lichtbogen mit einem plasmaproduzierenden Medium eingeschnürt wird, um einen Plasmastrahl zu erhalten, wobei als plasmaproduzierendes Medium Dämpfe eines Fluids verwendet werden, das Wasser, angereichert mit einem organischen Lösungsmittel in Form von sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffverbindungen, die geeignet sind, Sauerstoffatome und -moleküle, die in den Dämpfen enthalten sind, vom Eintreten in eine Oxidationsreaktion mit dem zu behandelnden Metall abzuhalten, enthält.
Experimentell konnte ermittelt werden, dass die besten Resultate erhalten werden, wenn Alkohole als Additive verwendet werden, deren optimaler prozentualer Anteil in dem dampferzeugenden Fluid unter einem energetischen Gesichtspunkt und unter dem Gesichtspunkt der Stärke der geschweißten Verbindung zwischen 30 und 50 liegt. Wenn der Prozentanteil von Alkoholen in dem Gemisch unter der Untergrenze liegt, entsteht ein größerer Anteil Zunder in der geschweißten Verbindung, der deren Festigkeitseigenschaften negativ beeinträchtigt. Wenn der prozentuale Anteil von Alkoholen in dem Gemisch 50 überschreitet, wird die Mischbarkeit des organischen Lösungsmittels mit Wasser beeinträchtigt, mit der Folge, dass sich Schichten des Gemisches ausbilden und somit keine gleichmäßige Verdampfung entsteht. Darüber hinaus wird die Dampfenthalpie in diesem Fall reduziert, wodurch wiederum die Temperatur des Plasmastrahls reduziert wird. Beste Resultate wurden erhalten, wenn ein Plasmastrahl-Schweißbrenner benutzt wurde, bei dem der plasmaproduzierende Dampf von einem Fluid erhalten wird, das im Alltagsleben sehr üblich ist und aus 60% Wasser und 40% Ethanol besteht.
Der Dampf wird sofort in dem Plasma-Lichtbogen-Brenner durch Verdampfung des Fluids, das einen besonderen Behälter füllt, mittels der durch den zwischen den Brennerelektroden brennenden Lichtbogen erzeugten Wärmeenergie generiert.
Das hier vorgeschlagene Verfahren zum Plasma-Lichtbogenschweißen von Metallen kann ausgeführt werden sowohl unter Verwendung von indirekten Plasma-Lichtbogen-Brennern, bei denen Wärmeenergie direkt auf das Werkstück durch den Plasmastrahl übertragen wird, der von der Düsenanode des Schweißbrenners ausgeht, und durch direkte Plasma-Lichtbogen-Brenner, bei denen das Werkstück mit einem durch den Plasmastrahl stabilisierten Lichtbogen bearbeitet wird. Im letzteren Fall wird zum Schmelzen des Metalls nicht nur die Energie des Plasmastrahls sondern auch die Energie des elektrischen Lichtbogens verwendet, die wesentlich zu der Energiecharakteristik des Verfahrens beiträgt.
Varianten von praktischen Ausführungsformen der Erfindung
Nachstehend werden einige beispielhafte Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens angegeben.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Schweißen von Metallen mit einem indirekten Plasmabogen. Die Vorrichtung umfasst einen Plasma-Lichtbogen-Brenner (Plasmatron), der eine Kathode 1, eine Düsenanode 2, die mit einem Durchgang für ein plasmaproduzierendes Medium versehen ist, einen mit einem feuchtigkeitsabsorbierendem Material gefüllten und einen Einlass 4 aufzeigenden Behälter 3 eine elektrisch isolierende Abdeckung 5 und eine Spannungsquelle 6 mit einem Stromregler 7. Als feuchtigkeitsabsorbierendes Material kann Kaolinwolle, Kohlenstoffgewebe oder Carbonfilz und als dampferzeugendes Fluid beispielsweise eine Mischung aus Wasser mit Ethanol oder Aceton verwendet werden.
Das Schweißen erfolgt wie folgt.
Der Einlass 4 des Behälters 3 wird geöffnet und das vorerwähnte Fluid wird eingefüllt, woraufhin der Einlass geschlossen wird. Dann wird eine Spannung an die Kathode und die Düsenanode angelegt. Als nächstes wird ein Lichtbogen gezündet, beispielsweise durch Hin- und Herfahren der Kathode, bis sie die Düsenanode berührt. Die von dem brennenden Lichtbogen an der Düsenanode freigesetzte Wärmeenergie verursacht eine Verdampfung des in dem Behälter 3 gehaltenen Fluids. Der entstehende Dampf gelangt in die Entladungskammer durch Durchgänge in der Düsenanode und tritt durch die zentrale Düsenöffnung aus und bildet somit eine gasförmige Lichtbogensäule. Der Dampf wird durch die gasförmige Lichtbogensäule, die in der Öffnung der Düsenanode eingeschnürt ist, auf hohe Temperaturen aufgeheizt und geht in den Plasmazustand über, um einen Plasmastrahl am Ausgang der Düsenanode zu bilden; der entstehende Plasmastrahl ist auch den Schweißpunkt gerichtet und bringt das Metall auf seinen Schmelzpunkt. Der Lichtbogenstrom wird durch den Regler 7 variiert.
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Schweißen von Metallen mit einem direkten Plasma-Lichtbogen. Die Vorrichtung umfasst einen Plasma-Lichtbogen-Brenner mit einer Kathode 1, einer Düsenanode 2, die mit Durchgängen für ein plasmaproduzierendes Medium versehen ist, eine mit einem feuchtigkeitsabsorbierenden Material gefüllte und mit einem Einlass 4 versehenen Behälter 3, eine elektrisch isolierende Abdeckung 5, eine Spannungsquelle 6 mit einem Stromregler 7 und mit einer zweiten Spannungsquelle 9, die zwischen die Kathode 1 und das zu schweißende Material 8 eingesetzt ist.
Das Schweißen erfolgt wie folgt:
Ein Plasmastrahl wird wie oben beschrieben am Ausgang der Düsenanode 2 erzeugt. Wenn der Brenner Gleichgewichts-Temperaturbedingungen angenommen hat, wird eine Spannung von der zweiten Spannungsquelle 9 zwischen Kathode 1 und dem zu schweißenden Metall 8 angelegt. Dann wird der Plasmastrahl auf den Schweißpunkt gerichtet und der Abstand zwischen der Düsenanode und dem zu schweißenden Metall verringert, bis ein direkter Lichtbogen zwischen ihnen zündet und das Metall 8 geschmolzen wird. Die Schmelztiefe wird durch Veränderung des ersten Lichtbogenstroms mit dem Stromregler verändert, indem die Reglerposition so gewählt wird, dass einerseits das Ausblasen von geschmolzenem Metall aus dem Schmelzbad verhindert wird und andererseits eine stetige Stabilisierung der Position des direkten Lichtbogens erreicht wird.
Wenn ein Füllmaterial 10 verwendet wird, wird es elektrisch mit dem zu schweißenden Metall verbunden und in der notwendigen Menge in den Plasmastrahl gebracht, wobei dieses Material unter der Wirkung des direkten Lichtbogens schmilzt und das auf der Oberfläche des zu schweißenden Metalls gebildete Schmelzbad auffüllt.

Claims

Verfahren zum Plasma-Lichtbogenschweißen von Metallen mit einem direkten oder indirekten eingeschnürten Lichtbogen mit den folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Plasmatrons, Erzeugung eines Plasma produzierenden Mediums in Form des Dampfes eines Fluids, das Wasser mit einem organischen Lösungsmittel in Form von sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffverbindungen, hauptsächlich Alkoholen, enthält, wobei das Plasma produzierende Medium unmittelbar in dem Plasmatron mit Hilfe der von dem Lichtbogen auf den Plasmatronelektroden freigesetzten Wärmeenergie erzeugt wird, Einschnürung des Lichtbogens durch das Plasma produzierende Medium, Verwendung des direkten oder indirekten eingeschnürten Lichtbogens zum Schweißen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Anteil von Alkoholen im dem Plasma produzierenden Fluid zwischen 30 und 50% liegt.