DE8904460U1

DE8904460U1 - Mikroplasma-Schweißvorrichtung

Info

Publication number: DE8904460U1
Application number: DE8904460U
Authority: DE
Original assignee: Krupp Medizintechnik GmbH
Current assignee: Krupp Medizintechnik GmbH
Priority date: 1989-04-10
Filing date: 1989-04-10
Publication date: 1989-06-29

Description

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Beschreibung
Mikroplasma-Schweißvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Mikroplasma-Schweißvorrichtung, im TisssBtlichen bsstehend aus einem Brenner sdt siner lait der. ersten Pol einer Stromquelle verbindbaren Wolframelektrode, die durch eine einen ringförmigen Hohlraum zur Plasmagaszufurir umhüllende wassergekühlte Kupfsr-Düse und einen weiteren äußeren Marbel umhüllt ist, wobei Z3»i«*c,hei? eier Kupfer-Düse und dem Mantel ein Ringraum für die Zufuhr von Schutzgas gebildet wird, und einer mit dem zweiten Pol der Stromquelle verbindbare Polklemme für das zu bearbeitende Werkstück, insbesondere zum Schweißen von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen.

Beim sogenannten £ ;hutzgas-Schweißen brennt der Lichtbogen in einem Schutzgasmantel. Als Sonderform dieses Schweißens ist das sogenannte Wolfram-Inertgas-Schweißen bekannt, bei dem der Lichtbogen in einem Schutzstrom aus inertem Gas zwischen der Wolframelektrode (meist mit Thoriumzunatz) und dem Werkstück brennt. Als Schutzgas wird fast ausschließlich Argon verwendet, seltener Argon-Helium-Gemische und reinas Helium. Wolfram-Inertgas-Schweißger&te werden meist mit Gleichstrom betrieben, beim Schweißen von Aluminium und dessen Legierungen wird mit Wechselstrom gearbeitet.

Beim Plasmaschweißen dient hingegen ein Plasmastrahl als Wärmequelle zum Schweißen. Dieses Verfahren ist als Weiterentwicklung des Wolfram-Tnertgae-Schweißens anzusehen, mit dem Unterschied, daß der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück zusammen mit dem Plasmagas durch eine wassergekünlte Kupfer-Düse eingeschnürt wird. Die Plasmasäule trifft als Plasmastrahl mit hoher Energie auf die Schweißstelle, wobei der

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$ Schutzgasmantel zur Stabilisierung des Piasinalichtbogens dient und cleichzeitig das Schmelzbad vor reaktiven Stoffen in der Umgebungsatmosphäre schützt. Der Vorteil des Plasmaschweißens hefe steht in der durch ilen Plasminogen verfügbaren hohen Energie, * die hohe Schweißgeschwindigkeiten zuläßt.

&Iacgr; Eine Sonderform des Plasmaschweißens ist wiederum das Mikroplasma-Schweißen, das bei sehr geringen Stromstärken durchgeführt wird, bei: denen ebenfalls der Vorzug eines stabil brennenden Plasmalichtbogens und die Unempfindlichkeit bei Änderung der '■·-' Lichtbogenlänge ausgenutzt wird. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Schweißen von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen, die bei relativ hohen Temperaturen schmelzen.

Bei den eingangs genannten Mikroplasma-Schweißvorrichtungen erweist sich vielfach die Schutzgaszufuhr als unzureichend, so daß es zu ungewollten Reaktionen an der Schweißnaht kommt. Eine Erhöhung des Schutzgasdurchsatzes durch Druckerhöhung scheidet vielfach deshalb aus, weil diese den Plasmastrahl zu starh einschrürt, so daß der Schweißvorgang gestört wird. Man ist daher in der Praxis dazu übergegangen, entweder in einer Inertgasatmo-Sphäre zu «chweißen, was einen hohen apparativen Aufwand erfordert, oder über weitere Vorrichtungen Schutzgas in dsr. Bereich der momentanen Schweißstelle zu blasen. Aber auch hier ist entweder der erzielbare Schutzgasmantel nicht ausreichend oder die !susätzlicho Schutzgasströmung führt zu einer Behinderung des Plasmabogenp.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eingangs genannte Mikroplasma-Schweißvorrichtung derart weiterzubilden, daß ein gleichmäßiger, stabiler, den Plosmaiitrahl in jedem Fall abschirmender Schutzgasmantel erzeugt werden kann, ohne daß der ! nach dem Stand der Technik übliche hohe apparative Av.fwand betrieben wird. Gleichermaßen soll die Mikroplasma-Schweißvorrich-

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tung weiterhin gut handhabbar sein und das Schweißen an engen bzw. schlecht zugänglichen Stellen weiterhin ermöglichen können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Mikroplasma-Schweißvorrichtung gelöst. Die Zusatzdüse ermöglicht eine dem jeweiligen Anwendungsfall bedarfsgerecht angepaßte Schutzgaszufuhr, die so abgestimmt werden kann, daß der Plasmabogen nicht beeinträchtigt wird, da der zusätzliche durch die Zusatzdüse erzeugte Schutzgasmantel einen hinreichend großen Abstand vom Plasmabogen hat. Das Maß der Einschnürung bzw. Stabilisierung des Plasmalichtbogens wird nach wie vor allein durch den inneren Schutzgasmantel bestimmt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung besteht darin, daß die durch die relativ kleine Größe des Schweißbrenners gegebene gute Handhabbarkeit praktisch nicht beeinträchtigt wird, da die Zusatzdüse den Durchmesser der Brennerspitze nur unwesentlich vergrößert. Kann unter besonderen Umständen auf die Zusatzdüse verzichtet werden, so wird sie von der Brennerspitze entfernt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Zusatzdüse ein im wesentlichen ringförmiges Rohr mit mehreren in Plasmastrahlrichtung gerichteten Düsenöffnungen oder einen ringförmigen bzw. mehrere Düsenschlitze auf. Die ringförmige Ausgestaltung führt zu einem gleichmäßigen zylinderförmigen Schutzgasmantel.

Eine ausreichende Homogenität dieses zylinderförmigen Schutzga;-mantels erhält man, wenn die Düsenöffnungen vorzugsweise in äquidistantam Abstand in ausreichender Zahl vorgesehen sind, als bevorzugte Anzahl haben sich 5 bis 20 Düsenöffnungen erwiesen.

Die bisher im wesentlichen schlanke Bauausführung eines Brenners wird am wenigsten dann verändert, wenn die Schutzgaszufuhrleitung senkrecht zum Rohr und im wesentlichen parallel zum äußeren Mantel des Brenners angeordnet ist. Vorzugsweise wird die

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-chutzgaszufuhrleitung oberhalb des Brenners in Richtung des Handgriffes abgeknickt geführt, wobei die Abknickung nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in einem Schlauch-Aufsatzstück endet. Das genannte Rohr, die Schutzgaszufuhileitung und/oder das Schlauch-Aufsatzstück bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Hingegen ist die mit dem Schlauch-Aufsatzstück verbundene Schlauchleitung flexibel.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann sowohl zur Verbesserung des Schutzgasmantels, insbesondere unterhalb der ' Schweißstelle, also an der Werkstückunterseite, die Polklemme aus einem Topf aus elektrisch leitendem Material bestehen, in dessen Boden eine weitere Schutzgasleitung, vorzugsweise zentral eingelassen ist. Hierdurch wird eine Begasung des Werkstückes von unten ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Topf von einem gasdurchlässigen, aber elektrisch leitenden Deckel abgedeckt, der vorzugsweise aus Sintermetall besteht.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. la eine perspektivische Ansicht eines Mikroplasma-, Schweißbrenners,

Fig. Ib einen Längsquerschnitt durch die Spitze des Brenners nach Fig. la, Fig. 2a eine Seitenansicht der Zusatzdüse, im Bereich

des ringförmigen Rohres zum Teil geschnitten,

Fig. 2b eine zweite Ansicht der Zusatzdüse, ebenfalls

mit Teilschnitt des ringförmigen Rohres

Fig. 2c eine Ansicht der Unterseite des ringförmigen

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Rohres mit den Düsenöf lEnungen,

Fig. 3a eine Ausführungsform einer topfförmigen Polklemmung in einer Quertichnittsansicht und

Fig. 3b eine Draufsicht des Topfes nach Fig. 3a.

Die im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannte Mikroplasma-Schweißvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem mit einem Handgriff 10 versehenen Brenner 11, aus dessen Brennerspitze 11a ein Plasmastrahl auf das Werkstück 14 gerichtet ist. Nach dem Hauptgedanken der vorliegenden Erfindung besitzt dieser Brenner 11 eine Zusatzdüse 12, die aus einem ringförmigen Rohr 12a mit Düsenöffnungen 121 an ihrer Unterseite, einer sich im wesentlichen parallel zum äußeren Brennermantel senkrecht davon erstreckenden Schutzgaszufuhrleitung 12b mit einem oberhalb des Brenners 11 vorzugsweise abgeknickten Ende, einer Abknickung 122, mit einem Schlauch-Aufsatzstück 123 und dem hierüber gezogenen flexiblen Schlauch 12c besteht. Der in Fig. la dargestellte Handgriff 10 verfügt ferner noch über einen Schalter 13, der auch als Fußschalter ausgebildet sein kann, mit dem die Schutzgaszufuhr und der Schweißstrom ab- bzw. angestellt werden können. Rückseitig des Handgriffes 10 werden in einem Schlauchpaket 15 die notwendigen Leitungen für die Steuerung des Brenners, für den Kühlwasserzu- und Rücklauf, den Schweißstrom und das Schutzgas gebündelt. Ober einen Anschluß 16 bzw. einen Masseanschluß, der mittels einer Polklemme 28 am Werkstück 14 befestigt ist, wird der Stromkreis geschlossen.

Der Aufbau des Mikroplasmabrenners ist im Detail aus Fig. Ib ersichtlich. Zur Erzeugung des Plasmabogens 22 dient die Wolframelektrode 18. Zwischen der Wolframelektrode 18 und einer diese umhüllende Kupfer-Düse 29 wird in Richtung des Pfeiles 19 Plasmagas eingelassen. Die Kupfer-Düse 29 ist wassergekühlt, was

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durch Pfeil 20 angedeutet ist. Unter Bildung; eines weiteren, im wesentlichen ringförmigen Raumes, der von Schutzgas durchströmt wird (siehe Pfeilrichtung 21^V, ist die Kupfeir-Düse 29 von einem äußeren Mantel 30 umgeben. Rings um den äußeren Mantel 30 im Bereich der Brennerspitze 11a ist das ringförmige Rohr 12a des Düsenkörpers angeordnet. Das zusätzlich durch die öffnungen ^21 des Rohre? 12a ausströmende Schutzgas dient dazu, den Schutzgasmantel 23, der ohnehin zur Stabilisierung des Plasmalichtbogens und zu einem gewissen Schutz des Schmelzbade» vor der umgebenden Luft benötigt wird, zu verstärken bzw. im Bereich 17 radial nach außen hin zu vergrößern. Mit 24 ist die Verbindungsleitung zwischen dem Werkstück 14 und der nicht dargestellten Stromquelle bezeichnet.

Die geometrische Ausgestaltung der Zusatzdüse 12 ist im Detail in den Figuren 2a bis c dargestellt. Das mit: den Düsenöffnungen 121 an der Unterseite des ringförmigen Rohres 12a versehene Zusatzdüsenteil erhält seine Gaszufuhr über eine hierzu vertikal geführte S=hutzgaszufuhrleitung 12b, die im wesentlichen parallel zur Längsachse des Brenners 11 verläuft. Diese Schutzgaszufuhrleitung 12b ist oberhalb des Brenners 11 abgeknickt, im vorliegenden F=*ll rechtwinklig über Abknickung 122, die in einem Schlauch-Aufsatzstück 123 für einen flexiblen Schlauch 12c (siehe Fig. la) endet. Das Rohr 12a, die Schutzgaszufuhrleitung 12b und das Schlauch-Aufsatzstück 123 sind aus Kupfer. Die Schlauchleitung 12b kann aus gegebenenfalls drahtverstärktem Kunststoff bestehen.

Statt der in Fig. la dargestellten Polklemme 28 kann auch eine Anordnung nach Figuren 3a und 3b gewählt werden, die aus einem Topf 25 besteht, der über nicht dargestellte Zuleitungen mit der Stromquelle verbunden ist. Dieser Topf 25 besitzt vier Füße 27, die den Boden 25a abstützen. Zentral im Boden 25a ist eine Bohrung, durch die über eine weitere Schutzgasleitung 26 Schutzgas

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in den Topfinnenraum 31 gegeben werden kann. Der Topf 25 ist durch einen Deckel 25b aus gasdurchlässigem Sintermetall abgedeckt, wobei sämtliche Teile des Topfes 25 aus elektrisch leitendem Material bestehen.

Claims

■ ■■•■&igr; · lit * · &igr; t ■ » · · * -1- Schutzansprüche

1. Mikroplasma-Schweißvorrichtung, im wesentlichen bestehend aus

- einem Brenner mit einer mit dem ersten Pol einer Stromquelle verbindbaren Wolfraaelaktrode■, die durch eine einen ringförmigen Hohlraum zur Plasmagaszufuhr umhüllende wassergekühlte Kupfer-Düse «nd einen weiteren äußeren Mantel umhüllt ist, wobei sv-isehsn dar Kupfer-Düse und dem Mnntsl ein Ringraum für die Zufuhr von Schutzgas gebildet wird, und

- einer mit dem zweiten Pol der Stromquelle verbindbare Polklemme für das zu bearbeitende Werkstück, insbesondere zum Schweißen von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen,
dadurch gekennzeichnet,

daß an dem äußeren Mantel (30) eine diesen im Bereich der Brennerspitze (lla) ringsum umgrenzende Zusatzdüse (12) zur Bildung eines zusätzlichen Schutzgasmantels um den Plasmalichtbogen (22) lösbar befestigt ist.

2. Mikroplasma-Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzdüse (12) ein im wesentlichen ringförmiges Rohr (12a) mit mehreren in Plasmastrahlrichtung gerichteten Düsenöffnungen (121) oder einen oder mehrere Düsenschlitze aufweist.

3. Mikroplasma-Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 20 Düsenöffnungen (121), vorzugsweise in äquidistantem Abstand vorgesehen sind.

4. Mikroplasma-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzgaszufuhrleitung (12b) senkrecht zum Rohr (12a) und im wesentlichen parallel zum äußeren Mantel (30) des Brenners (11) angeordnet ist.

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5. Mikroplasma-Schweißvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgaszufuhrleitung (12b) oberhalb des Brenners (11) in Richtung des Handgriffes (10) abgeknickt ist.

6. Mikiroplasma-Schweiß vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abknickung (122) in eimern Schlauch-

(123) endet.

7. Mikroplasma-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis €·, d&äurch ftek'SBazeichnet, cle,ß das Rohr (12a) , die ichutzgaszufukrieituiig (12L) und/oder das Schlauch-Aufsatzstuck (123) au» Rupfer bestehen.

8. Mikroplasma-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Schlauch-Aufsatzstück '123) verbundene Schlauchleitung (12c) flexibel ist.

S. Mikroplasma-Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polklemme aus einem Topf (25) aus elektrisch leitendem Material besteht, in dessen Boden (25a) eine weitere Schutzgasleitung (26), vorzugsweise zentral, eingelassen ist.

10. Mikroplasma-Schweißvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (25) von einem gasdurchlässigen Deckel (25b), vorzugsweise aus Sintermetall, abgedeckt wird.

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