EP1369001A1 - Verfahren zum plasmaschweissen - Google Patents

Verfahren zum plasmaschweissen

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Publication number
EP1369001A1
EP1369001A1 EP02717991A EP02717991A EP1369001A1 EP 1369001 A1 EP1369001 A1 EP 1369001A1 EP 02717991 A EP02717991 A EP 02717991A EP 02717991 A EP02717991 A EP 02717991A EP 1369001 A1 EP1369001 A1 EP 1369001A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
microwave
tube
transparent tube
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02717991A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Bayer
Philip Betz
Jörg Höschele
Friedrich ÖFFINGER
Jürgen STEINWANDEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP1369001A1 publication Critical patent/EP1369001A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3421—Transferred arc or pilot arc mode
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3484—Convergent-divergent nozzles

Definitions

  • the invention relates to a method for plasma welding according to claim 1.
  • Tungsten inert gas welding Tungsten inert gas welding
  • MAG metal active gas welding
  • an arc burns between a non-melting tungsten electrode and the workpiece, whereby the workpiece is melted.
  • the arc has a divergence angle of approximately 45 °. This means that the distance between the TIG torch and the workpiece has a significant influence on the power density and that it is comparatively small overall. Due to the high thermal conductivity of the metals, a significant proportion of the heat flows into the vicinity of the weld. With a current intensity limited by the life of the electrode and thus also limited arc power, this results in relatively low welding speeds.
  • the plasma jet can be constricted in various plasma welding processes, which can reduce the arc divergence to approx. 10 ° (visually). This results in a higher power density at the usual technical distances between the plasma torch and the workpiece and, as a result, a higher welding speed with identical arc power.
  • the more stable and less divergent plasma beam compared to the conventional TIG process also means that the welding parameters have less influence on the arc shape. If the arc is supplied with significantly more energy with a suitable electrode arrangement by increasing the current strength, the so-called taphole effect occurs. If the thickness is appropriate, the workpiece is melted in the shape of an eyelet, and if the plasma torch is fed continuously, the molten metal flows around the plasma jet and back together again behind it.
  • a disadvantage of the described methods is that the possible current intensity is limited by the life of the electrodes and thus the welding speed is limited. This leads to a high thermal load on the component, wide heat-affected zones and, in addition, considerable distortion of the workpiece.
  • Another disadvantage of the conventional plasma welding process is the restricted access and the possibility of observing the welding point due to a relatively large nozzle diameter with a small workpiece distance (approx. 5 mm).
  • the object of the invention is to provide a method for plasma welding in which the disadvantages of the prior art are avoided. This object is achieved by the method of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
  • a free microwave-induced plasma beam is used for plasma welding, which is generated as follows: in a high-frequency microwave source, microwaves are generated which are guided in a waveguide.
  • the process gas is introduced into a microwave-transparent tube, which comprises a gas inlet opening and a gas outlet opening, at a pressure p> 1 bar through the gas inlet opening of the tube such that it has a tangential flow component.
  • a plasma is generated in the microwave-transparent tube, which is introduced into the working space through a metallic expansion nozzle arranged at the gas outlet opening of the tube, as a result of which the plasma jet is generated.
  • the electrodeless plasma welding method according to the invention results in particularly advantageous plasma properties. This increases the specific enthalpy of the plasma and the associated enthalpy flux density of the plasma. In connection with this, the plasma temperature of the plasma and the plasma jet is increased. This results in advantages over the welding processes of the prior art in terms of an increased welding speed and lower weld seam costs. With the plasma welding process according to the invention, an electrode-less welding process is thus specified which offers considerable economic and application-related advantages with a wide range of uses for the welding process.
  • the properties of the plasma jet with respect to a reduced diameter and a reduced beam angle divergence are improved.
  • the cylinder-symmetrical plasma beam spreads parallel in the method according to the invention as a result of which the influence of the change in distance between the torch and the workpiece on the penetration shape of the Plasma jets in the workpiece is reduced.
  • Another advantage is that it improves the accessibility to the plasma jet - caused by a larger possible distance between the torch and the workpiece.
  • distances between the torch and the workpiece are thus possible from 30 mm to 100 mm, with a plasma beam diameter of 1 mm to 3 mm on the workpiece.
  • power densities above 1.5 10 5 W / cm 2 can be generated.
  • the tangential feeding of the process gas into the microwave-transparent tube supports the generation of a plasma jet according to the invention with a low beam angle divergence. Due to the radial acceleration caused by the tangential feed of the process gas, which is further intensified by the cross-sectional narrowing of the expansion nozzle in the direction of the nozzle outlet, the non-uniformly accelerated free charge carriers move in the direction of the expansion nozzle outlet on ever narrower spiral paths, which increases the centripetal acceleration of the charge carriers. This movement is maintained by the load carriers even after they exit the expansion nozzle into the work area.
  • the plasma jet can be generated by means of inexpensive and robust high-frequency systems, for example magnetron or klystron.
  • high-frequency systems microwave sources in the required power range up to 100 kW and frequency range from 0.95 GHz to 35 GHz are advantageously accessible.
  • microwaves with a frequency of 2.46 GHz can be used because they are these are inexpensive microwave sources that are widely used in industry and household applications.
  • the energy efficiency is also increased compared to conventional plasma welding processes. It is thus possible to generate microwave-induced plasmas in which the power coupling from the radiation field of the microwave sources is greater than 90%. This results in a 1.5 times higher energy efficiency compared to welding processes with high-performance diodes and a 20 times higher energy efficiency compared to laser welding processes.
  • the coupling of the high-frequency energy of the microwave source into the relevant process gases required for plasma generation depends on the electromagnetic substance constants of the relevant process gases, in particular on the complex dielectric constant (DK) ⁇ :
  • the complex DK is a non-linear function of temperature and a linear function of frequency.
  • the relationship between the imaginary part and the real part of the complex DC is called the dielectric loss angle ⁇ and defines an absorption probability of the process medium for high-frequency energy:
  • volume-specific absorption of high-frequency energy by a generally high-frequency absorbing medium is given as follows:
  • v is the frequency of the absorbed high-frequency radiation with the electric field strength E in the absorbing volume. If the absorption losses of the high-frequency radiation in the absorbing volume can mainly be defined via the (frequency-dependent) electrical conductivity ⁇ in ( ⁇ m) "1 , whereby magnetic effects are negligible, the following applies:
  • the method according to the invention thus solves the problem of the prior art that in the case of electrode-induced plasmas there are reactions of the process gases used with the electrode materials, for example the formation of tungsten oxide or tungsten nitride in the case of tungsten electrodes or hydrogen embrittlement. It is thus possible to increase the specific enthalpy of the plasma in connection with an improved heat conduction between the plasma and the workpiece by a suitable choice of gases or gas mixtures suitable for the process.
  • the process gas it is possible for the process gas to be supplied with powder before it enters the microwave-transparent tube. This makes it possible, for example, to use the method according to the invention as a powder build-up welding method. It is of course also possible to supply the powder to the plasma jet after it has emerged from the expansion nozzle.
  • Another advantage of the plasma welding method according to the invention is that the heat-affected zone of the plasma jet on the workpiece is significantly reduced, which results in less heat input, less workpiece distortion and a reduction in material damage.
  • the plasma welding method according to the invention enables low-error welding with regard to lower edge notches and low porosity of the weld seam.
  • the process gas is introduced into the microwave-transparent tube through a nozzle such that the process gas flowing into the tube has a tangential and an axial flow component directed in the direction of the gas outlet opening of the tube.
  • the metallic expansion nozzle viewed in the flow direction of the plasma, has a convergent inlet on the plasma side and a free or divergent outlet on the plasma jet side. This makes it possible to improve the properties of the plasma beam in terms of reducing the beam angle divergence.
  • the jet diameter can be limited by means of the opening cross section of the expansion nozzle. Due to the high plasma temperatures the metallic expansion nozzle can be cooled in an advantageous embodiment of the invention.
  • the waveguide available for guiding the microwaves is narrowed in cross section in an advantageous embodiment of the invention.
  • the waveguide is preferably narrowed at the point at which the microwave-transparent tube is guided through the waveguide.
  • the waveguide and the tube are aligned perpendicular to one another.
  • a spark gap it is also possible for a spark gap to be used to ignite the plasma.
  • FIG. 2 shows a device for carrying out the method according to the invention in a sectional view with a waveguide, expansion nozzle, microwave-transparent tube and a feed unit for the process gas
  • Fig. 4 shows a feed unit for the process gas in plan view.
  • microwave-induced thermal plasmas are generated by means of the method according to the invention. These plasmas are characterized by a local thermodynamic equilibrium (LTG) of the different enthalpies contributions from the plasma.
  • LTG local thermodynamic equilibrium
  • the total enthalpy of the plasma is determined depending on the molecular nature of the process gases by the following contributions:
  • thermodynamics can be used to calculate the temperature-dependent total enthalpy H (T) and the temperature-dependent heat capacity C P (T) that can be determined from this in a first derivative based on the temperature.
  • the respective molecular degrees of freedom must be taken into account in the status sums for translation, rotation and vibration.
  • the corresponding state sums can be calculated from the respective equilibrium constants in the presence of dissociation and ionization (not detailed).
  • FIG. 1 shows the calculated temperature-dependent enthalpy of a nitrogen plasma, which was generated by means of the method steps according to the invention.
  • the diagram shows a very steep rise (logarithmic representation of the ordinate) of the enthalpy up to a temperature of 20,000 K.
  • Fig. 2 shows a sectional view of an apparatus for performing the method according to the invention.
  • the illustration shows a microwave-transparent tube 2, which is guided vertically through a waveguide 1, which transports the microwaves generated by a microwave source, not shown.
  • the microwave-transparent tube 2 is guided through an opening 14 located at the top of the waveguide 1 and an opening 15 located at the bottom of the waveguide 1.
  • the microwave-transparent tube 2 has a gas inlet opening 4 for the process gas and a gas outlet opening 3 for the plasma 7. In the area 12, in which the microwave-transparent tube 2 runs through the waveguide 1, the plasma 7 is generated by microwave absorption.
  • a gas supply unit 6 is attached to the gas inlet opening 4 on the microwave transparent tube 2, e.g. by means of a crimp connection to avoid destroying the microwave-transparent tube.
  • this gas supply unit 6 there are nozzles (not shown) through which the process gas is fed into the microwave-transparent tube 2.
  • the nozzles are arranged such that the inflowing process gas has a tangential and an axial flow component directed in the direction of the gas outlet opening 3.
  • the process gas is guided on spiral paths within the microwave-transparent tube. This leads to a strong centripetal acceleration of the gas in the direction of the inner surface of the microwave-transparent tube 2 and to the formation of a negative pressure on the tube axis. This negative pressure also facilitates the ignition of the plasma.
  • the plasma can by means of a spark gap, not shown, e.g. an arc discharge or a spark can be ignited.
  • a spark gap not shown, e.g. an arc discharge or a spark can be ignited.
  • an independent plasma ignition is also possible.
  • a metallic expansion nozzle 5 is attached to the gas outlet opening 3 of the microwave-transparent tube 2.
  • the expansion nozzle 5 is arranged such that the opening 14 of the waveguide 1 is closed.
  • a groove or a web 11 is incorporated into the underside of the expansion nozzle 5.
  • the web 11 protrudes only a few millimeters into the waveguide space, thereby preventing the microwave field from being disturbed within the waveguide 1.
  • the expansion nozzle 5 has a convergent inlet on its underside, ie on the side facing the plasma 7. This constriction further accelerates the charge carriers in the plasma 7 up to the outlet opening 17.
  • the plasma 7 then enters the working space 16 as a plasma jet 8 through the outlet opening 17.
  • the outlet of the expansion nozzle 5 is shown in the present illustration as a free outlet. A divergent outlet is also possible.
  • the centripetal acceleration of the charge carriers in the plasma 7 continues after exiting through the expansion nozzle 5 in the free plasma jet 8. Due to the centripetal acceleration of the charge carriers in the plasma jet 8, as described in the introduction to the description, an axial magnetic field is induced in the plasma jet 8, whereby the constriction of the flow also continues beyond the outlet opening 17 of the expansion nozzle 5. A plasma beam 8 with a low beam angle divergence is thus generated.
  • Fig. 3 shows an exemplary expansion nozzle in a sectional view.
  • a web 11 for fixing the microwave-transparent tube (not shown) is incorporated on the lower surface of the expansion nozzle 5.
  • the web 11 is particularly circular and has an inner radius that corresponds to the outer radius of the microwave-transparent tube.
  • the inlet area 9 of the expansion nozzle 5 is designed to be convergent, which leads to an increase in the flow velocity of the charge carriers of the plasma up to the outlet opening 17.
  • the outlet area 10 of the expansion nozzle 5 is designed to be divergent.
  • FIG. 4 shows a top view of a gas supply unit for supplying the process gas into the microwave-transparent tube 2.
  • the gas supply unit 6 two nozzles 18 are designed which feed the process gas into the microwave-transparent tube 2 in two opposite directions. A tangential feed of the process gas is thereby achieved.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plamaschweissen mittels eines freien mikrowelleninduzierten Plasmastrahls, der mittels folgender Verfahrensschritte erzeug wird: Erzeugung von Mikrowellen in einer hochfrequenten Mikrowellenquelle, Führen der Mikrowellen in einem Hohlleiter (1), Einleiten eines Prozessgases in ein mikrowellentransparentes Rohr (2), welches eine Gaseintrittsöffnung (4) und eine Gasaustrittsöffnung (3) umfasst, bei einem Druck p ≥ 1 bar, wobei das Prozessgas durch die Gaseintrittsöffnung (4) derart in das mikrowellentransparente Rohr (2) eingeleitet wird, dass es eine tangentiale Strömungskomponente aufweist, Erzeugung eines Plasmas (7) im mikrowellentransparenten Rohr (2) mittels elektrodenlosem Zünden des Prozessgases, Erzeugung eines Plasmastrahls (17) mittels Einleiten des Plasmas in den Arbeitsraum (16) durch eine an der Gasaustrittsöffnung (3) des Rohrs (2) angeordnete metallische Expansionsdüse (5).

Description

Verfahren zum Plasmaschweißen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaschweißen nach Patentanspruch 1.
In den letzten Jahren sind vielfältige Anstrengungen unternommen worden gerade um die Leistungsfähigkeit konventioneller Plasmaschweißverfahren, z.B. Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) oder Metallaktivgas-Schweißen (MAG) weiter zu steigern und weiterzuentwickeln.
Beim WIG-Schweißen brennt ein Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolfram-Elektrode und dem Werkstück, wobei das Werkstück aufgeschmolzen wird. Der Lichtbogen hat einen Divergenzwinkel von etwa 45°. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen WIG-Brenner und Werkstück die Leistungsdichte signifikant beeinflusst und diese insgesamt vergleichsweise gering ist. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Metalle fließt ein erheblicher Anteil der Wärme in die Umgebung der Schweißnaht ab. Bei einer durch die Lebensdauer der Elektrode begrenzten Stromstärke und damit auch begrenzten Lichtbogenleistung ergeben sich daraus relativ kleine Schweißgeschwindigkeiten.
Mittels wassergekühlter Expansionsdüsen kann der Plasmastrahl bei verschiedenen Plasmaschweißverfahren eingeschnürt werden, wodurch eine Verringerung der Lichtbogendivergenz auf ca. 10° (visuell) bewirkt werden kann. Damit wird bei den technisch üblichen Abständen zwischen Plasmabrenner und Werkstück eine höhere Leistungsdichte und daraus resultierend bei identischer Lichtbogenleistung eine höhere Schweißgeschwindigkeit erreicht. Durch den stabileren und gegenüber dem herkömmlichen WIG-Verfahren weniger divergenten Plasmastrahl ergibt sich darüber hinaus ein geringerer Einfluss der Schweißparameter auf die Lichtbogenform. Führt man dem Lichtbogen bei geeigneter Elektrodenanordnung durch Erhöhung der Stromstärke deutlich mehr Energie zu, entsteht der sogenannte Stichlocheffekt. Bei entsprechender Dicke wird das Werkstück ösenförmig aufgeschmolzen und bei kontinuierlichem Vorschub des Plasmabrenners fließt das geschmolzene Metall um den Plasmastrahl herum und hinter ihm wieder zusammen.
Nachteilig wirkt sich bei den beschriebenen Verfahren aus, dass die mögliche Stromstärke durch die Lebensdauer der Elektroden begrenzt und damit die Schweißgeschwindigkeit limitiert ist. Dadurch kommt es zu einer hohen Wärmebelastung des Bauteils, breiten Wärmeeinflusszonen und darüber hinaus zu einem erheblichen Verzug des Werkstücks.
Die technischen Möglichkeiten, die Schweißgeschwindigkeit weiter zu steigern, sind im wesentlichen ausgeschöpft. Neben den daraus folgenden betriebswirtschaftlichen Konsequenzen wirkt sich das dahingehend aus, dass die gegenwärtig erreichten Grenzen für die Streckenenergie, den Verzug und die Eigen- schaftsverschlechterung durch die relativ breite Wärmeeinflusszone zukünftig nicht wesentlich unterschritten werden können. Das ist dahingehend besonders nachteilig, als das Eigenschaftspotential moderner, hochfester Werkstoffe, deren Eigenschaften erst durch spezifische Wärmebehandlungen erreicht werden, durch den gegenwärtigen Entwicklungstand der konventionellen Schweißverfahren bei weitem nicht genutzt werden kann.
Ein weiterer Nachteil der konventionellen Plasmaschweißverfahren besteht in der eingeschränkten Zugänglichkeit und Beobachtungsmöglichkeit der Schweißstelle aufgrund eines relativ großen Düsendurchmessers bei kleinem Werkstückabstand (ca. 5 mm).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Plasmaschweißen anzugeben, bei dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird zum Plasmaschweißen ein freier mikrowelleninduzierter Plasmastrahl verwendet, der folgendermaßen erzeugt wird: in einer hochfrequenten Mikrowellenquelle werden Mikrowellen erzeugt, welche in einem Hohlleiter geführt werden. Das Prozessgas wird in ein mikrowellentransparentes Rohr, welches eine Gaseintrittsöffnung und eine Gasaustrittsöffnung um- fasst, bei einem Druck p > 1 bar derart durch die Gaseintrittsöffnung des Rohres eingeleitet, dass es eine tangentiale Strömungskomponente aufweist. Mittels elektrodenlosen Zündens des Prozessgases wird im mikrowellentransparenten Rohr ein Plasma erzeugt, welches durch eine an der Gasaustrittsöffnung des Rohrs angeordnete metallische Expansionsdüse in den Arbeitsraum eingeleitet wird, wodurch der Plasmastrahl erzeugt wird.
Mittels des erfindungsgemäßen elektrodenlosen Plasmaschweißverfahrens ergeben sich besonders vorteilhafte Plasmaeigenschaften. So wird die spezifische Enthalpie des Plasmas und die damit verbundene Enthalpieflussdichte des Plasmas erhöht. Damit verbunden wird die Plasmatemperatur des Plasmas und des Plasmastrahls erhöht. Daraus ergeben sich gegenüber den Schweißverfahren des Stands der Technik Vorteile hinsichtlich einer gesteigerten Schweißgeschwindigkeit und niedrigeren Schweißnahtkosten. Mit dem erfindungsgemäßen Plasmaschweißverfahren wird somit ein elektrodenloses Schweißverfahren angegeben, dass erhebliche betriebswirtschaftliche und an- wendungsbezogene Vorteile bei gleichzeitig großer Einsatzbreite des Schweißverfahrens bietet.
Außerdem werden die Eigenschaften des Plasmastrahls hinsichtlich eines verringerten Durchmessers sowie einer verringerten Strahlwinkeldivergenz verbessert. Darüber hinaus breitet sich der zylindersymmetrische Plasmastrahl in dem erfindungsgemäßen Verfahren parallel aus, wodurch der Einfluss der Abstandsänderung zwischen Brenner und Werkstück auf die Einbrandform des Plasmastrahls in das Werkstück verringert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch die Zugänglichkeit zum Plasmastrahl - hervorgerufen durch einen größer möglichen Abstand zwischen Brenner und Werkstück - verbessert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind somit Abstände zwischen Brenner und Werkstück von 30 mm bis zu 100 mm möglich, bei einem Plasmastrahldurchmesser von 1 mm bis zu 3 mm auf dem Werkstück. Mit dem erfindungsgemäßen Plasmaschweißverfahren können so Leistungsdichten oberhalb von 1 ,5 105 W/cm2 erzeugt werden.
Die tangentiale Einspeisung des Prozessgases in das mikrowellentransparente Rohr unterstützt die erfindungsgemäße Erzeugung eines Plasmastrahls mit geringer Strahlwinkeldivergenz. Aufgrund der, durch die tangentiale Einspeisung des Prozessgases verursachte Radialbeschleunigung, die durch die Querschnittsverengung der Expansionsdüse in Richtung des Düsenaustritts weiter verstärkt wird, bewegen sich die ungleichförmig beschleunigten freien Ladungsträger in Richtung des Expansionsdüsenaustritts auf immer engeren Spiralbahnen, wodurch die Zentripetalbeschleunigung der Ladungsträger zunimmt. Diese Bewegung wird von den Ladungsträgern auch nach Austritt aus der Expansionsdüse in den Arbeitsraum beibehalten. Da aufgrund der unterschiedlichen Ionen- und Elektronenbeweglichkeit lokal keine Ladungsneutralität vorliegt, wird im Plasmastrahl ein axial orientiertes Magnetfeld induziert, welches zu einer Strömungseinschnürung des Plasmastrahl nach Austritt aus der Düse führt (z-Pinch). Es handelt sich hierbei um den Magneto-Hydrodynamischen Effekt (M HD-Effekt).
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Plasmastrahl mittels kostengünstiger und robuster Hochfrequenzsysteme, z.B. Magnetron oder Klystron erzeugt werden kann. Mit diesen Hochfrequenzsystemen sind vorteilhaft Mikrowellenquellen im erforderlichen Leistungsbereich bis 100 kW und Frequenzbereich von 0,95 GHz bis 35 GHz zugänglich. Insbesondere können Mikrowellen der Frequenz 2,46 GHz verwendet werden, da es sich hierbei um kostengünstige und in der Industrie und Haushaltsanwendungen weit verbreitete Mikrowellenquellen handelt.
In dem erfindungsgemäßen Plasmaschweißverfahren ist außerdem die Energieeffizienz gegenüber konventionellen Plasmaschweißverfahren gesteigert. So ist es möglich, mikrowelleninduzierte Plasmen zu erzeugen, bei denen die Leistungseinkopplung aus dem Strahlungsfeld der Mikrowellenquellen größer als 90% ist. Somit ergeben sich gegenüber Schweißverfahren mit Hochleistungsdioden eine um das 1 ,5-fache und gegenüber Laserschweißverfahren eine um das 20-fache gesteigerte Energieeffizienz.
Die zur Plasmaerzeugung nötige Einkopplung der Hochfrequenzenergie der Mikrowellenquelle in die relevanten Prozessgase hängt dabei von den elektromagnetischen Stoffkonstanten der relevanten Prozessgase, insbesondere von der komplexen Dielektrizitätskonstante (DK) ε ab:
ε = εΛ - iε" (1 )
Die komplexe DK ist eine nichtlineare Funktion der Temperatur sowie eine lineare Funktion der Frequenz. Das Verhältnis zwischen Imaginärteil und Realteil der komplexen DK wird als dielektrischer Verlustwinkel φ bezeichnet und definiert eine Absorptionswahrscheinlichkeit des Prozessmediums für Hochfrequenzenergie:
tan φ = ε" / ε' (2)
Die volumenspezifische Absorption von Hochfrequenzenergie durch ein grundsätzlich hochfrequenzabsorbierendes Medium (im vorliegenden Fall ein geeignetes Prozessgas) ist wie folgt gegeben:
Pabs = πvε" |E|" ( 3 ) v ist die Frequenz der absorbierten Hochfrequenzstrahlung mit der elektrischen Feldstärke E im absorbierenden Volumen. Sofern die Absorptionsverluste der Hochfrequenzstrahlung im absorbierenden Volumen vorwiegend über die (frequenzabhängige) elektrische Leitfähigkeit σ in (Ωm)"1 definiert werden können, wobei magnetische Effekte vernachlässigbar sind, gilt:
ε" = σ / 2 πv ( 4 )
Damit ergibt sich für die insgesamt in einem elektrisch absorbierenden Medium umsetzbare Verlustleistungsdichte für einlaufende Hochfrequenzstrahlung:
Bei der Plasmaerzeugung durch Hochfrequenzstrahlung in Gasen ist zwischen dem Vorgang der Zündung - geringe elektrische Leitfähigkeit - sowie dem Vorgang der Aufrechterhaltung eines Plasmas - elektrische Leitfähigkeit typischer Plasmagase um mindestens 3 Zehnerpotenzen höher als diejenige der entsprechenden nichtionisierten Gase - zu unterscheiden. Generell hilfreich, sowohl bei der Plasmazündung als auch beim Betrieb des Plasmas ist, infolge der Abhängigkeit der umsetzbaren Verlustleistungsdichte vom Absolutquadrat der lokalen elektrischen Feldstärke E, eine hohe lokale elektrische Feldstärke E.
Aufgrund der elektrodenlosen Plasmaerzeugung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Einschränkung hinsichtlich der einsetzbaren Prozessgase vorhanden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit das Problem des Standes der Technik gelöst, dass bei elektrodeninduzierten Plasmen es zu Reaktionen der eingesetzten Prozessgase mit den Elektrodenwerkstoffen kommt, z.B. zur Bildung von Wolframoxid oder Wolframnitrid bei Wolframelektroden oder zur Wasserstoffversprödung. Es ist somit möglich, dass durch geeignete Wahl prozesstauglicher Gase oder Gasmischungen die spezifische Enthalpie des Plasmas in Verbindung mit einer verbesserten Wärmeleitung zwischen Plasma und Werkstück zu vergrößern. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es möglich, dass dem Prozessgas vor Eintritt in das mikrowellentransparente Rohr Pulver zugeführt wird. Dadurch ist es z.B. möglich, das erfindungsgemäße Verfahren als Pulverauftragsschweißverfahren einzusetzen. Es ist selbstverständlich auch möglich, dem Plasmastrahl nach Austritt aus der Expansionsdüse das Pulver zuzuführen.
Außerdem wird, aufgrund des elektrodenlosen Plasmaschweißens der Eintrag von unerwünschtem Elektrodenmaterial in das Schweißgut verhindert. Des weiteren ist ein störungsfreier, mannloser und automatisierter Schweißprozess ohne ständiges Auswechseln von Verschleißteilen möglich.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Plasmaschweißverfahrens ist, dass die Wärmeeinflusszone des Plasmastrahls auf dem Werkstück wesentlich reduziert wird, was einen geringeren Wärmeeintrag, einen reduzierten Werkstückverzug und eine Verringerung der Werkstoffschädigung zur Folge hat. Außerdem wird mittels des erfindungsgemäßen Plasmaschweißverfahrens ein fehlerarmes Schweißen hinsichtlich geringerer Randkerben und geringer Porosität der Schweißnaht ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Prozessgas durch eine Düse derart in das mikrowellentransparente Rohr eingeleitet, dass das in das Rohr einströmende Prozessgas eine tangentiale und eine in Richtung der Gas- austrittsöffnung des Rohrs gerichtete axiale Strömungskomponente aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die metallische Expansionsdüse, in Strömungsrichtung des Plasmas gesehen, plasmaseitig einen konvergenten Einlauf und plasmastrahlseitig einen freien oder divergenten Auslauf auf. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften des Plasmastrahls hinsichtlich einer Verringerung der Strahlwinkeldivergenz zu verbessern. Außerdem kann mittels des Öffnungsquerschnitts der Expansionsdüse der Strahldurchmesser limitiert werden. Aufgrund der hohen Plasmatemperaturen kann die metallische Expansionsdüse in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung gekühlt werden.
Um einen sicheren Betrieb, sowie eine sichere Zündung der für das erfindungsgemäße Verfahren benötigten Plasmen zu gewährleisten, wird in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung der für die Führung der Mikrowellen vorhandene Hohlleiter im Querschnitt verengt. Dabei wird der Hohlleiter bevorzugt an der Stelle verengt, an der das mikrowellentransparente Rohr durch den Hohlleiter geführt wird. Der Hohlleiter und das Rohr sind dabei in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung senkrecht zueinander ausgerichtet. Der Vorteil ist eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke am Ort der Querschnittsverengung. Dadurch werden zum einen die Zündeigenschaften des Prozessgases verbessert und zum anderen die Leistungsdichte des Plasmas erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es auch möglich, dass zur Zündung des Plasmas eine Funkenstrecke eingesetzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die mittels statistischer Thermodynamik berechnete temperaturabhängige Enthalpie eines Stickstoffplasmas,
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittdarstellung mit Hohlleiter, Expansionsdüse, mikrowellentransparenten Rohr und einer Zuführungseinheit für das Prozessgas,
Fig. 3 eine beispielhafte Expansionsdüse in Schnittdarstellung,
Fig. 4 eine Zuführungseinheit für das Prozessgas in Draufsicht.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden insbesondere mikrowelleninduzierte thermische Plasmen erzeugt. Diese Plasmen zeichnen sich durch ein lokales thermodynamisches Gleichgewicht (LTG) der verschiedenen Enthalpie beitrage des Plasmas aus. Die Gesamtenthalpie des Plasmas bestimmt sich dabei in Abhängigkeit der molekularen Natur der Prozessgase durch folgende Beiträge:
- Enthalpie aus den Freiheitsgraden für Translation, Rotation und Vibration,
- Enthalpie aus Dissoziation,
- Enthalpie aus Ionisation.
Mittels der statistischen Thermodynamik ist die temperaturabhängige Gesamtenthalpie H(T) und die daraus in erster Ableitung nach der Temperatur bestimmbare temperaturabhängige Wärmekapazität CP(T) berechenbar. Dabei sind in den Zustandssummen für die Translation, Rotation und Vibration die jeweiligen molekularen Freiheitsgrade zu berücksichtigen. Die entsprechenden Zustandssummen lassen sich dabei beim Vorhandensein von Dissoziation sowie Ionisation aus den jeweiligen Gleichgewichtskonstanten berechnen (nicht näher ausgeführt).
In Fig. 1 ist die berechnete temperaturabhängige Enthalpie eines Stickstoffplasmas, welches mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte erzeugt wurde, dargestellt. Das Diagramm zeigt bis zu einer Temperatur von 20000 K einen sehr steilen Anstieg (logarithmische Darstellung der Ordinate) der Enthalpie.
Fig. 2 zeigt in Schnittdarstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Darstellung zeigt ein mikrowellentransparentes Rohr 2, welches senkrecht durch einen Hohlleiter 1 geführt ist, der die von einer nicht dargestellten Mikrowellenquelle erzeugten Mikrowellen transportiert. Das mikrowellentransparente Rohr 2 wird durch eine an der Oberseite des Hohlleiters 1 befindliche Öffnung 14 und eine an der Unterseite des Hohlleiters 1 befindliche Öffnung 15 geführt.
Das mikrowellentransparente Rohr 2 weist eine Gaseintrittsöffnung 4 für das Prozessgas und eine Gasaustrittsöffnung 3 für das Plasma 7 auf. Im Bereich 12, in dem das mikrowellentransparente Rohr 2 durch den Hohlleiter 1 verläuft wird, das Plasma 7 durch Mikrowellenabsorption erzeugt.
Eine Gaszuführungseinheit 6 ist an der Gaseintrittsöffnung 4 an dem mikrowellentransparenten Rohr 2 befestigt, z.B. mittels einer Quetschverbindung um eine Zerstörung des mikrowellentransparenten Rohrs zu vermeiden. In dieser Gaszuführungseinheit 6 sind Düsen (nicht eingezeichnet) vorhanden, durch die das Prozessgas in das mikrowellentransparente Rohr 2 eingespeist wird. Die Düsen sind dabei derart angeordnet, dass das einströmende Prozessgas eine tangentiale und eine in Richtung der Gasaustrittsöffnung 3 gerichtete axiale Strömungskomponente aufweist. Insbesondere wird das Prozessgas innerhalb des mikrowellentransparenten Rohrs auf spiralförmigen Bahnen geführt. Dadurch kommt es zu einer starken Zentripetalbeschleunigung des Gases in Richtung der Innenoberfläche des mikrowellentransparenten Rohrs 2 und zur Ausbildung eines Unterdrucks auf der Rohrachse. Dieser Unterdruck erleichtert außerdem auch die Zündung des Plasmas.
Das Plasma kann mittels einer nicht eingezeichneten Funkenstrecke, z.B. eine Bogenentladung oder ein Zündfunke gezündet werden. Bei optimaler Abstimmung des Hohlleitersystems, d.h. maximale Feldstärke der Mikrowelle am Ort der Rohrachse ist auch eine selbstständige Plasmazündung möglich.
An der Gasaustrittsöffnung 3 des mikrowellentransparenten Rohrs 2 ist eine metallische Expansionsdüse 5 befestigt. Die Expansionsdüse 5 ist dabei derart angeordnet, dass die Öffnung 14 des Hohlleiters 1 abgeschlossen wird. Zur Fixierung des mikrowellentransparenten Rohrs 2 ist in die Unterseite der Expansionsdüse 5 eine Nut oder ein Steg 11 eingearbeitet. Der Steg 11 ragt dabei nur wenige Millimeter in den Hohlleiterraum hinein, wodurch verhindert wird, dass es zu einer Störung des Mikrowellenfeldes innerhalb des Hohlleiters 1 kommt. Die Expansionsdüse 5 weist an ihrer Unterseite, also an der dem Plasma 7 zugewandten Seite einen konvergenten Einlauf auf. Durch diese Verengung werden die Ladungsträger im Plasma 7 bis hin zur Austrittsöffnung 17 weiter beschleunigt. Das Plasma 7 tritt dann als Plasmastrahl 8 durch die Austrittsöff- nung 17 in den Arbeitsraum 16 ein. Der Auslauf der Expansionsdüse 5 ist in der vorliegenden Darstellung als freier Auslauf dargestellt. Es ist aber auch ein divergenter Auslauf möglich.
Die Zentripetalbeschleunigung der Ladungsträger im Plasma 7 setzt sich nach Austritt durch die Expansionsdüse 5 im freien Plasmastrahl 8 fort. Aufgrund der Zentripetalbeschleunigung der Ladungsträger im Plasmastrahl 8 wird, wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben, im Plasmastrahl 8 ein axiales Magnetfeld induziert, wodurch sich die Einschnürung der Strömung auch über die Austrittsöffnung 17 der Expansionsdüse 5 hinweg fortsetzt. Somit wird ein Plasmastrahl 8 mit einer geringen Strahlwinkeldivergenz erzeugt.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Expansionsdüse in Schnittdarstellung. An der Unterfläche der Expansionsdüse 5 ist ein Steg 11 zur Fixierung des mikrowellentransparenten Rohrs (nicht eingezeichnet) eingearbeitet. Der Steg 11 ist insbesondere kreisförmig ausgebildet und weist einen Innenradius auf, der dem Außenradius des mikrowellentransparenten Rohrs entspricht.
Der Einlaufbereich 9 der Expansionsdüse 5 ist konvergent ausgestaltet, was zu einem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit der Ladungsträger des Plasmas bis hin zur Austrittsöffnung 17 führt. Der Auslaufbereich 10 der Expansionsdüse 5 ist divergent ausgeführt.
Es ist möglich, bei geeigneten Druckverhältnissen zwischen dem Druck im Arbeitsraum 16 und dem Druck im Innern 12 des mikrowellentransparenten Rohrs, bei geeigneter Größe der Austrittsöffnung 17 sowie bei einer geeigneten Ausgestaltung des Einlaufbereichs 9 und des Auslaufbereichs 10 der Expansi onsdüse 5 einen Plasmastrahl (nicht dargestellt) zu erhalten, der mit Überschall in den Arbeitsraum 16 expandiert.
In Fig. 4 ist in Draufsicht eine Gaszuführungseinheit zur Zuführung des Prozessgases in das mikrowellentransparente Rohr 2 dargestellt. In der Gaszuführungseinheit 6 sind zwei Düsen 18 ausgeführt, die das Prozessgas in zwei sich gegenübliegende Richtungen in das mikrowellentransparente Rohr 2 einspeisen. Dadurch wird eine tangentiale Einspeisung des Prozessgases erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Plasmaschweißen mittels eines freien mikrowelleninduzierten Plasmastrahls, der mittels folgender Verfahrensschritte erzeugt wird
- Erzeugung von Mikrowellen in einer hochfrequenten Mikrowellenquelle,
- Führen der Mikrowellen in einem Hohlleiter (1),
- Einleiten eines Prozessgases in ein mikrowellentransparentes Rohr (2), welches eine Gaseintrittsöffnung (4) und eine Gasaustrittsöffnung (3) umfasst, bei einem Druck p > 1 bar, wobei das Prozessgas durch die Gaseintrittsöffnung (4) derart in das mikrowellentransparente Rohr (2) eingeleitet wird, dass es eine tangentiale Strömungskomponente aufweist,
- Erzeugung eines Plasmas (7) im mikrowellentransparenten Rohr (2) mittels elektrodenlosem Zünden des Prozessgases,
- Erzeugung eines Plasmastrahls (17) mittels Einleiten des Plasmas (7) in den Arbeitsraum (16) durch eine an der Gasaustrittsöffnung (3) des Rohrs (2) angeordnete metallische Expansionsdüse (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas mittels einer Düse (18) derart in das Rohr (2) eingeleitet wird, dass das in das Rohr (2) einströmende Prozessgas eine tangentiale und eine in Richtung der Gasaustrittsöffnung (3) gerichtete axiale Strömungskomponente aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Expansionsdüse (5), in Strömungsrichtung des Plasmas gesehen, plasmaseitig einen konvergenten Einlauf (9) und plasmastrahlseitig einen freien oder divergenten Auslauf (10) aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Expansionsdüse (5) gekühlt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Plasmaerzeugung Mikrowellen im Frequenzbereich zwischen 0,95 GHz und 35 GHz eingesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrecht zum mikrowellentransparenten Rohr (2) ausgerichtete Hohlleiter (1) an der Stelle, an der das Rohr (2) durch den Hohlleiter (1) geführt ist, im Querschnitt verengt ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als mikrowellentransparentes Rohr (2) ein Rohr mit dielektrischen Eigenschaften aus SiO2 oder AI2O3 in reiner Form ohne Dotierungen eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zündung des Plasmas eine Funkenstrecke eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessgas vor Eintritt in das mikrowellentransparente Rohr (2) Pulver zugeführt wird.
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