NO145153B - Fremgangsmaate til og sveisebrenner for sveising i en termisk ionisert gass. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til og en sveisebrenner for sveising i en termisk ionisert gass, hvor det i en gasstrøm mellom en ikke-forbrukselektrode og en andre elektrode opprettholdes en plasmabue, hvor det av plasmabuen frembrakte plasma føres gjennom et munnstykke, hvor en sveisetråd kontinuerlig føres i gassplasmaet og gjennom munnstykket i retning av arbeidsstykket, og hvor det mellom sveisetråden og arbeidsstykket opprettholdes en sveisebue.

En fremgangsmåte av denne art er kjent under beteg-nelsen plasma-MIG-sveising fra britisk patentskrift nr. 1.338.866. Ifølge denne kjente fremgangsmåte tilføres sveise-strømmen via et kontaktrør til forbrukselektroden ovenfor munnstykket' og den del av forbrukselektroden som befinner seg på nivået for plasmaelektroden er da strømførende, slik at en innbyrdes elektromagnetisk påvirkning opptrer mellom gassplasmaet og den strømførende forbrukselektrode. Denne innbyrdes påvirkning kan bevirke ustabilitet av plasmabuen, og denne ustabilitet er tosidig, dvs.: a) Det opptrer en sammentrekning av plasmabuen rundt forbrukselektroden, slik at spenningen over plasmabuen øker. Dette er en uheldig virkning fordi en mindre steil del av spennings-fallkarakteristikken for plasmamatekilden anvendes for plasmabuen og dette gjør den kontinuerlig opprettholdelse av plasmabuen mindre pålitelig. b) En forskyvning av det sammentrengte gassplasma langs forbrukselektroden som i tilfelle av positiv polaritet av forbrukselektroden i forhold til arbeidsstykket, bevirker ekstra og uønsket varmeutvikling og kan bevirke en begynnende dannelse av en katode i forhold til plasmaelektroden på forbrukselektroden, slik at plasmabuen ikke rettes mot arbeidsstykket, men heller til den nærmereliggende forbrukselektrode. Dette er et meget uønsket fenomen fordi sveisingen påvirkes og vanligvis opptrer forstyrrelser i kontinuiteten av sveisingen.

Ifølge den kjente fremgangsmåte er det mulig å opp-rettholde stabiliteten av plasmabuen i tilfelle av negativ polaritet, vel og merke hvis katodedannelsen på forbrukselektroden stimuleres ved tilførsel av noe oksygen eller C02 til plasmagassen, mens stabiliteten oppnås ikke hvis potensialet av kontaktrøret og plasmaelektroden ikke er tilpasset til hverandre innenfor forholdsvis snevre grenser. Fullstendig eller delvis strømoverføring fra plasmaelektroden til forbrukselektroden i stedet for til arbeidsstykket vil da også lett oppstå, hvilket er uønsket og vanligvis fører til forstyrrelse fordi plasmabuen trekkes av magnetiske krefter og vandrer oppover mellom plasmaelektroden og kontaktrøret, eller også så langt at disse deler ødelegges slik at lekkasje vanligvis oppstår.

Ifølge den kjente fremgangsmåte hvor strømmen til-føres forbrukselektroden via et kontaktrør, er dette rør vanligvis anordnet over munnstykket utenfor virkeområdet av bueplasmaet og vanligvis ovenfor enden av plasmaelektroden. Det oppstår da et problem ved at forlengelsen av forbrukselektroden, dvs. den strømførende del av denne mellom kontaktrøret og dens frie ende, er forholdsvis stor, hvilket er uheldig i visse tilfeller.

Fra britisk patentskrift nr. 845.410 er det også kjent å overføre strømmen til sveisetråden nedenfor plasma-elektrodene, men ikke innenfor gassplasmaet, men på siden av dette.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor i det minste å minske disse ulemper, og forbedre plasma-MIG-sveisingen og ut-vide dens anvendelsesområde.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at sveisestrøm-men for sveisebuen overføres til sveisetråden over et kontaktsted som befinner seg i gassplasmaet.

Overraskende nok har det vist seg at det faktum at strømmen tilføres forbrukselektroden i selve gassplasmaet ikke har noen uheldig virkning på sveisingen. Tvert om i tilfelle av positiv som negativ polaritet av plasmaelektroden og forbrukselektroden, oppnås det tydelige fordeler. Når forholds-reglene ifølge oppfinnelsen tas, vil ikke den del av forbrukselektroden som ligger i flukt med plasmaelektroden være strøm-førende, slik at ustabilitet av plasmabuen som følge av innbyrdes magnetisk påvirkning mellom gassplasmaet og forbrukselektroden hindres. Følgelig kan plasmaelektroden såvel som føringen av forbrukselektroden anordnes nær munnstykket og forlengelsen, dvs. den strømførende del av forbrukselektroden kan minskes.

En ytterligere fordel fremtrer tydelig i det tilfellet at det sveises med negativ polaritet av plasmaelektroden og forbrukselektroden. Selv om en utladning skulle opptre mellom plasmaelektroden og forbrukselektroden, vil denne ikke bevege seg oppover. Tvert om vil utladningen heller bevege seg i retning av arbeidsstykket. En delvis eller fullstendig utladning mellom plasmaelektroden og forbrukselektroden vil da opptre på en stabil måte selv om sveiseforholdene endres utilsiktet eller tilsiktet, slik at plasmabuen mellom plasmaelektroden og arbeidsstykket ikke opprettholdes eller bare med stor vanskelighet, mens utladningen mellom forbrukselektroden og arbeidsstykket opprettholdes. Dette kan opptre f.eks. hvis avstanden mellom sveisebrenneren og arbeidsstykket økes ut over visse grenser. Når den normale arbeidsavstand gjenopp-rettes, vil plasmabuen spontant trekkes igjen mot arbeidsstykket. Dette er en vesentlig fordel som er av stor viktighet, hvis sveisebrenneren føres for hånd. Dette er mulig, fordi anodedelen av plasmabuen på forbrukselektroden eller på arbeidsstykket er meget føyelig når fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes og fordelen kan utnyttes fullt ut,

fordi utladningen mellom plasmaelektroden og forbrukselektroden da er stabil. En vesentlig fordel består i at plasmabuen ikke kan slukkes under sveisingen ved en forstyrrelse av noen art slik det vanligvis skjer ved anvendelse av den kjente fremgangsmåte. Videre har det vist seg at ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det ikke lenger nødvendig å justere forbrukselektroden og plasmaelektrodens potensial nøyaktig i forhold til hverandre for å hindre forstyrrelse eller oppnå et tilfredsstillende sveiseresultat.

Det området innenfor hvilket tilfredsstillende over-føring av materialet finner sted er meget stort. Dette skyldes muligens den korte utstrekning av forbrukselektroden, slik at en spenningsgradient over forbrukselektroden opptrer i mindre grad.

I tilfelle av positiv polaritet for plasmaelektroden og forbrukselektroden, vil den korte utstrekning av forbrukselektroden være av viktighet fordi dette blant annet muliggjør ytterligere inntrengning i arbeidsstykket enn i tilfelle av en større utstrekning av forbrukselektroden. Rotasjon av MIG-buen som opptrer ved den kjente fremgangsmåte, vil da finne sted ved en større overføringsstrømtetthet av sveisestrømmen, hvilket muliggjør større sveisestrømmer ved denne strømtett-het for samme avsatt kvantum av elektrodematerialet, og resul-tatet er mindre motstandsvarme i forbrukselektroden og minsket oppvarming i gassplasmaet. En stabilisering av plasmabuen som oppnås ved negativ polaritet kan ikke oppnås ved positiv polaritet, men det er ofte mulig å velge en mere fordelaktig posisjon av plasmaelektroden i forhold til plasmaåpningen, fordi en mindre avstand mellom plasmaelektroden og forbrukselektroden ikke bevirker forstyrrelser.

Ifølge en foretrukket fremgangsmåte hvor gasstrømmen ledes gjennom plasmaåpningen i et munnstykke, bringes forbrukselektroden i kontakt med munnstykket og sveisestrømmen tilføres forbrukselektroden via munnstykket.

Oppfinnelsen gjelder også en sveisebrenner for ut-førelse av fremgangsmåten og denne sveisebrenner omfatter et hus som er forsynt med et munnstykke med en åpning, en ikkeforbruksplasmaelektrode, en inne i huset anordnet sveisetråd-føring for tilførsel av sveisetråd gjennom munnstykkeåpningen, og en tilslutning for tilførsel av en gass og er karakterisert ved et kontaktorgan med en kontaktflate som ligger nedenfor plasmaelektroden, og i det minste en del av kontaktflaten ligger hovedsakelig i flukt med trådføringens midtlinje og nesten berører denne.

For kontaktorganet kan anvendes ethvert egnet element forutsatt at det avkjøles tilstrekkelig slik at det kan motstå kombinasjonen av varmeutviklingen ved strømgjennomgangen og varmeoverføringen fra gassplasmaet.

En foretrukket utførelse av sveisebrenneren ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved et munnstykke med,en plasmaåpning hvor munnstykket virker som kontaktorgan og trådføringen er eksentrisk i forhold til plasmaåpningen, idet trådføringens midtlinje hovedsakelig ligger i flukt med et punkt på periferien av plasmaåpningen. Munnstykket er meget egnet for anvendelse som kontaktorgan fordi det vanligvis avkjøles godt. Plasmaåpningen ved denne utførelse kan være sirkelformet eller

oval.

Det har vist seg at den usymmetriske anordning av trådføringen i forhold til munnstykket ikke påvirker sveisingen. Det er tydelig at det elektromagnetiske felt av den strømfør-ende del av sveisetråden utenfor munnstykket fordeler gassplasmaet symmetrisk rundt den utragende del av sveisetråden.

En ytterligere fordel ved anvendelse av munnstykket som kontaktorgan, består i at tilførselen av sveisestrømmen til kontaktområdet på munnstykket skjer via veggen i sveise-brennerens hus. Som følge derav vil tilførselen av strøm til sveisetråden ikke, eller i bare uvesentlig grad, bevirke et magnetisk felt i det indre av huset, hvor plasmaelektroden befinner seg, slik at virkningen av strømmen gjennom sveisetråden på den del av plasmabuen som befinner seg i brenneren er minimal.

En ytterligere utførelse av sveisebrenneren ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved et munnstykke med en plasmaåpning hvor munnstykket virker som plasmaelektrode og kontaktorganet befinner seg nedenfor munnstykket. Som følge herav vil kontaktorganet befinne seg forholdsvis nær arbeidsstykket, slik at den strømførende del av sveisetråden og dermed dens forlengelse blir meget kort.

Utførelseseksempler på oppfinnelsen skal nedenfor

beskrives nærmere under henvisning til tegningene.

Fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom et apparat ifølge

oppfinnelsen.

Fig. 2-5 viser skjematisk ytterligere utførelse av apparater ifølge oppfinnelsen, hvor tilsvarende henvisningstall er anvendt som på fig. 1.

Apparatet 1 på fig. 1 omfatter en sveisebrenner 3

med en ikkeforbruksplasmaelektrode 5 og en trådføring 15 anordnet på hver sin side av midtlinjen Ti et hus 21 for sveisebrenneren. Huset 21 omfatter et munnstykke 11 med en plasmaåpning 13 op tilslutninger 23 for tilførsel av en inert gasstrøn A. En skjermingsgass S tilføres via forbindelser 27 i en kappe 25. Plasmaelektroden 5 består f.eks. av wolfram og er montert i en kopperholder 29 som avkjøles med

vann via forbindelser 31 og 33 og ikke viste kjølekanaler. Munnstykket 11 og huset 21 er forsynt med ikke viste kjøle-kanaler på vanlig måte. Elektrodeholderen 29 er forbundet ved hjelp av en tilslutningsklemme 35 med en høyfrekvensgenerator 7 med en av polene på en første matekilde 9 hvis andre pol er forbundet med et arbeidsstykke W.

Ved hjelp av en tilslutningsklemme 37 er munnstykket 11 forbundet med den ene pol av en andre matekilde 19 hvis andre pol er forbundet med arbeidsstykket W. Holderen 29

er isolert i forhold til huset 21 ved hjelp av en innsatt del 39 av kunststoff. Transporten av sveisetråden 17 som skal avsettes skjer ved hjelp av ruller 41 som drives med styrbar hastighet av en motor 43. Trådføringen 15 er anordnet i forhold til munnstykket 11 slik at midtlinjen Y for trådføringen hovedsakelig ligger i flukt med et punkt på den indre omkrets 45 av munnstykket 11 som ligger i plasmaåpningen 13, slik at sveisetråden 13 danner kontakt med den indre omkrets 45 av munnstykket som tjener som kontaktorgan for tilførsel av sveisestrømmen til sveisetråden. Sveisingen kan utføres enten med positiv eller negativ polaritet på sveisetråden, munnstykket og plasmaelektroden så lenge som deres polaritet er den samme.

En overført plasmabue P mellom plasmaelektroden 5

og arbeidsstykket W tennes ved hjelp av ho4yfrekvensutladning og opprettholdes ved hjelp av matekilden 9. Deretter kan sveisetråden 17 mates frem etter at en MIG-bue M er tent mellom sveisetråden og arbeidsstykket, idet sveisetråden holdes på

et egnet potensial ved hjelp av matekilden 19.

Positiv polaritet har en fordel overfor negativ polaritet ved at sveisingen blir jevnere i det høyere strømom-råde, f.eks. over 225A. En fordel ved en negativ polaritet overfor positiv polaritet er at stabiliteten av plasmaet, sikres langs den elektriske utladning fra sveisetråden til arbeidsstykket. En annen fordel i bestemte tilfeller består i at materialoverføringen forstyrrer smeiten mindre og ved at roten av den kombinerte bue i smeiten er mere jevnt fordelt og dermed har mindre forstyrrende virkning på overflaten av sveisen.

Por begge polariteter er sveising med ikke overført plasmabue mellom plasmaelektroden 5 og munnstykket 11 alterna-tivt mulig. Por dette er det tilstrekkelig å forbinde matekilden 9 for plasmabuen ved hjelp av en forbindelsesklemme 47 til munnstykket 11 i stedet for til arbeidsstykket W, slik at de to matekilder 9 og 19 er serieforbundet. Det kan v?°re fordelaktig for plasmabuen å være fullstendig uavhengig av arbeidsstykket, op i det tilfellet med en ikke- overført plasmabue mellom plasmaelektroden og munnstykket, kan den enkle innføring av en bryter 49 mellom arbeidsstykket 9 og den andre matekilde 19 for MIG-buen M gi vesentlige fordeler. Når bryteren 19 er brutt, vil plasmabuen ikke bli overført til arbeidsstykket, men tennes mellom plasmaelektroden 5 og munnstykket 11. Når utmatningen av sveisetråden 17 begynner, sluttes bryteren 49 for å opprette forbindelsen arbeidsstykket-matekilden-munnstykket-sveisetråden og bringe sveisetråden på. et egnet potensial i forhold til arbeidsstykket. Som resultat herav vil plasmaelektroden da også ha høyere potensial enn arbeidsstykket. Følgelig vil plasmabuen starte fra plasmaelektroden 5 og overføres fra munnstykket 11 til arbeidsstykket W og utladningen fra sveisetråden 17 til arbeidsstykket W fortsettes umiddelbart. Når matihgen av sveisetråd stoppes, brytes bryteren 49 og plasmabuen vil automatisk vende tilbake til ikke overført form fra plasmaelektroden 5 til munnstykket 11. Apparatet er så igjen klart til ny start av sveising, slik at tenningen av plasma ved hjelp av høyfrekvensutladning ikke lenger er nødvendig.

Som vist på fig. 2 kan munnstykket i det ovenfor be-skrevne utførelseseksempel med en ikke overført plasmabue mellom plasmaelektroden 5 og munnstykket 11, via forbindelses-klemmen 47 erstattes på i og for seg kjent måte av en andre plasmaelektrode 51 i huset 21 hvorved en ikke overført plasmabue opprettholdes mellom de to plasmaelektroder 5 og 51- Hvis begge plasmaelektroder 5 og 51 består av wolfram, kan matekilden 9 bestå av en transformator. Hvis en tredje matekilde 53 forbindes med en av de to plasmaelektroder, og med arbeidsstykket W via en bryter 55, sikres stabiliteten av plasmabuen mellom plasmaelektroden 5 og arbeidsstykket W ved samtidig opptreden av plasmabue mellom de to plasmaelektroder 50 og 51 i huset 21 som ikke overføres til arbeidsstykket. Dette skyldes at hvis plasmabuen på arbeidsstykket slukker som følge av forstyrrelser under sveisingen, kan den øyeblikkelig tennes igjen ved en strøm av termisk ionisert gass som frem-bringes av plasmabuen mellom de to plasmaelektroder, uavhengig av arbeidsstykket.

Normalt kan sveising utføres med likestrøm for sveisetråden såvel som for plasmabuen. Utførelsen som er an-tydet på fig. 1 med streket linje og som omfatter to seriefor-bundne matekilder 9 og 19 og en bryter 49, kan gjøres enklere og billigere ved å erstatte likeretteren i den første matekilde 9 med en billigere transformator 57 (fig. 3), en hjelpe-elektrode 59 av wolfram anordnes da på innersiden av munnstykket 11. Ved hjelp av en lett høyfrekvensutladning kan en ikke overført vekselstrømsbue tennes mellom plasmaelektroden 5 og hjelpeelektroden 59- Da de to wolframelektroder anvendes, kan vekselstrømbuen opprettholdes ved hjelp av transformatoren 57 uten noen høyfrekvensutladning. Argongass strømmer inn i huset 21 og blåser bueplasmaet gjennom munnstykket til arbeidsstvkket W. Apparatet er sl klart til start av plasma-MIG-sveising uten ytterligere høyfrekvensutladning. Så startes utmatningen av sveisetråden 17 slik at den berører munnstykket og bryteren 49 kan sluttes på samme tid. Sveisetråden 17 er da forbundet via munnstykket 11 med den positive pol av like-strtfmkilden 19, nens den negative pol er forbundet med arbeidsstykket W. Det har vist seg at etter slutning av bryteren 49, dannes en overført plasmabue mellom elektroden 5 og arbeidsstykket W og utladningen fra sveisetråden tennes øyeblikkelig og opprettholdes. Mår l^.kestrømutladningen fra sveisetråden 17 først er tent er en katode permanent til stede på arbeidsstykket W, slik at utladningen fra plasmaelektroden 5 til arbeidsstykket W lett kan tennes under den positive periode.

Under den negative periode av plasmaelektroden 5

er plasmabuen stadig tilstede mellom plasmaelektroden og munnstykket. Det er overraskende at starttenningen av den overførte plasmabue oppnås så lett fordi en katode flekk må opprettes på arbeidsstykket. Tilstedeværelsen av termisk ionisert gass i den ikke overførte plasmabue og økningen av potensialet på plasmaelektroden under den positive periode med spenning fra likestrømskilden 19 sørger øyensynlig for dette. Til tross for at bare halvdelen av plasmastrømmen går til arbeidsstykket, slik at oppvarming av sveisen blir mindre enn i tilfelle av likestrømplasmabue, er forskjellen i sveise-resultatet ganske liten. Når trådmatingen opphører, og bryteren 49 brytes, bibeholdes en ikke overført vekselstrøms-plasmabue i hvilken start lett kan oppnås igjen.

Alle disse kretser er med tilfredshet anvendt for sveiseprøver med strøm i sveisetråden på mellom 50 og 500A og plasmastrømmer på mellom 50 og 300A. Sveisetråd av stål, rustfritt stål, kopper og aluminium med en diameter på 1,6 - 0,9 mm er anvendt.

Fig. 4 viser en utførelsesform hvor et særskilt kontaktorgan 61 forbundet med den andre matekilde 19, er anordnet mellom munnstykket 11 og arbeidsstykket W. Kontaktorganet består av en kontaktflate 63 som ..er parallell med midtlinjen Y for trådføringen 15. Kontaktorganet er anordnet slik at kontaktflaten 63 er hovedsakelig i flukt med midtlinjen Y. Forlengelsen L eller sveisetråden 17, dvs. den strøm-førende del mellom kontaktorganet og den fri ende av sveisetråden er meget kort i dette tilfellet. Kontaktorganet 61 må være vesentlig avkjølt hvilket kan oppnås ved anbringelse av kjølekanaler (ikke vist).

Utførelsen på fig. 5 omfatter et kontaktoragn 71 som består av en vannkjølt kopperholder 75 og en wolframdel 77 med en kontaktflate 73- Munnstykket 11 er forbundet med den første matekilde 9 og tjener som plasmaelektrode. En særskilt plasmaelektrode i huset 21 er derfor utelatt. Høyfrekvens-generatoren er heller ikke nødvendig ved denne utførelse, fordi plasmabuen tennes spontant av MIG-buen som kan tennes ved å bringe sveisetråden i kontakt med arbeidsstykket.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til sveising i en termisk ionisert gass, hvor det i en gasstrøm mellom en ikke-forbrukselektrode og en andre elektrode opprettholdes en plasmabue,hvor det av plasmabuen frembrakte plasma føres gjennom et munnstykke, hvor en sveisetråd kontinuerlig føres i gassplasmaet og gjennom munnstykket i retning av arbeidsstykket, og hvor det mellom sveisetråden og arbeidsstykket opprettholdes en sveisebue, karakterisert ved at sveise-strømmen for sveisebuen overføres til sveisetråden over et kontaktsted som befinner seg i gassplasmaet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at sveisetråden er bragt i berøring med munnstykket, og at sveisestrømmen overføres til sveisetråden via munnstykket.

3. Sveisebrenner for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 eller 2, omfattende et hus som er forsynt med et munnstykke med en åpning, en ikke-forbruksplasma-elektrode, en inne i huset anordnet sveisetrådføring for til-førsel av sveisetråd gjennom munnstykkeåpningen, og en tilslutning for tilførsel av en gass, karakterisert ved et kontaktorgan (11,61,71) med en kontaktflate (45,63,73) som ligger nedenfor plasmaelektroden (5), og i det minste en del av kontaktflaten ligger hovedsakelig i flukt med trådføringens (15) midtlinje (Y) og nesten be-rører denne.

4. Sveisebrenner ifølge krav 3, karakterisert ved et munnstykke (11) med en plasmaåpning (13) hvor munnstykket virker som kontaktorgan og tråd-føringen (15) er eksentrisk i forhold til plasmaåpningen, idet trådføringens (15) midtlinje (Y) hovedsaklig ligger tangentialt med periferien (45) av plasmaåpningen.

5. Sveisebrenner ifølge krav 3, karakterisert ved et munnstykke (11) med en plasmaåpning (13) som er utformet som plasmaelektrode og kontaktorganet (71) er anordnet nedenfor munnstykket.