WO2008125276A1 - Verfahren zum plasma-stichlochschweissen - Google Patents

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WO2008125276A1
WO2008125276A1 PCT/EP2008/002849 EP2008002849W WO2008125276A1 WO 2008125276 A1 WO2008125276 A1 WO 2008125276A1 EP 2008002849 W EP2008002849 W EP 2008002849W WO 2008125276 A1 WO2008125276 A1 WO 2008125276A1
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gas
plasma
welding
focusing
volume flow
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PCT/EP2008/002849
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Inventor
Gerald Wilhelm
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Linde Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/02—Plasma welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/167—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a non-consumable electrode

Definitions

  • the present invention relates to a method for plasma taphole welding in which a non-consumable electrode is used, wherein at least one plasma gas and a protective gas are supplied, wherein a directed to the workpiece to be welded and shielded by inert gas plasma jet is formed.
  • Welding refers to the indissoluble joining of components using heat or pressure. It can be used in the known welding welding consumables. For metals are mostly
  • Fusion welding process with heat input used. However, this could also be used in the welding of glass or for thermoplastics.
  • Fusion welding typically involves welding with localized melt flow without the use of force.
  • connection of the components takes place in the known methods usually in a weld or in a spot weld.
  • Gas-shielded arc welding is subdivided into a number of different procedures, which can be clearly distinguished from each other. Examples include metal gas shielded arc welding (MIG / MAG welding), tungsten inert gas welding and plasma welding.
  • Plasma welding occupies a special position. Plasma welding involves a higher energy concentration than many of the competition methods.
  • Plasma welding uses a plasma jet as the heat source.
  • the plasma jet is generated by ionization and constriction of an arc. This often burns between a non-consumable negative (tungsten) electrode and the workpiece as a so-called main arc (directly transferred arc).
  • a pilot arc can be used. It is formed by means of the plasma gas directed onto the workpiece plasma jet, which can be moved along a desired weld seam, for example.
  • a plasma burner concentrically surrounding the electrode up to three gases or gas mixtures are supplied, namely the plasma gas, the focusing gas for constricting the plasma jet and the inert gas.
  • the volume flow of each gas type is constant over time.
  • the plasma jet and possibly the focusing gas is enveloped by protective gas.
  • protective gas serves to protect the melt from oxidation during the welding process.
  • Plasma taphole welding represents a variant of plasma welding.
  • Plasma taphole welding is used up to a plate thickness of 8 to 10 mm, but not with a plate thickness of less than 3 mm. This process is mainly used in tank and apparatus construction and in pipeline construction.
  • the plasma jet penetrates the entire workpiece thickness at the beginning of the welding process. In this case, the molten bath resulting from the melting of the workpiece is pushed aside by the plasma jet. The surface tension of the melt prevents falling through the stitch hole. Instead, the melt flows back behind the forming welding eyelet and solidifies to the weld.
  • the usual plasma taphole welding is thus a method in which a non-consumable and concentrically surrounded by a plasma torch electrode is used, being supplied via the plasma torch at least a plasma gas and a protective gas, wherein by ionization of the plasma gas by means of a pilot arc or a Hochfrequenzzündung and constricting the plasma gas with the aid of a cooled nozzle directed to the workpiece to be welded and formed by inert gas plasma jet is formed, which penetrates the entire workpiece thickness pushes the resulting by melting the workpiece melt bath to the side, wherein the surface tension of the melt Fall through the tap hole is prevented, and the melt behind the forming welding eyelet flow together again and solidify to weld.
  • the welding current (I) is either kept constant or it is welded with pulsating welding current.
  • each period is composed of a pulse current phase (high current phase) and a base current phase (low current phase).
  • EP 257766 discloses a plasma cutting method in which the gas flow is clocked such that the power density of the plasma jet associated with the modulation of the gas flow is used to obtain a perforation, this method not only for perforating but also for perforating Plasma spot welding can be used.
  • EP 689896 also includes a method for plasma and plasma keyhole welding in which the flow rate of the plasma gas is changed cyclically.
  • the upper limit for the frequency of the modulation of the plasma gas flow is called 10 Hz, because at higher frequencies the weld suffers.
  • JP 08039259 also includes a method of periodically varying the plasma gas in plasma and plasma keyhole welding in pulsed mode in which a low and a high plasma gas flow rate are in a fixed relationship with the period of the plasma gas flow rate change beyond one second lies.
  • a periodic change in the composition of the protective gas during welding disclosed in US 3484575.
  • the aim is to get the benefits of pulse welding without pulsed current source but to achieve by pulsing the composition of the protective gas. Since the arc burns differently in different media, will be adjusted by the periodic change in the protective gas composition at a given welding voltage, a modulation of the welding current, it says in the document.
  • a frequency of 10 Hz is recommended for a non-consumable electrode, while frequencies of 60 Hz and more can be used for a consumable electrode.
  • the present invention has for its object to provide a method for plasma taphole welding available by which improves the process stability and / or the maximum achievable welding speed is increased.
  • the object is achieved in that at least one gas flow rate is changed several times during the welding process.
  • the composition of plasma gas and / or inert gas during plasma keyhole welding changes, whereby advantageously a time-varying dynamic pressure is exerted on the melt and thereby the melt is vibrated.
  • the process stability increases when the melt merges behind the needle hole in a particularly advantageous manner.
  • the kinematics of the stitch hole formation is advantageously changed by the method according to the invention. Furthermore, the increased by the temporal
  • Changing the gas volume flow pulsating plasma jet advantageous the maximum achievable welding speed, with particular advantage without the path energy, i. significantly increase the energy input into the workpiece per length of the weld).
  • the energy density of the plasma jet e.g. be varied by a time-varying gas flow rate of the focusing gas, the energy density of the plasma jet.
  • the change in the gas volume flow of plasma gas (PG) and / or inert gas (SG) takes place at a frequency which is at least 12 Hz, preferably at least 15 Hz, particularly preferably at least 20 Hz.
  • the advantages of the invention are manifested in a pronounced manner up to frequencies of 200 Hz, particularly pronounced up to 100 Hz and in particular up to 80 Hz. It has been found, in particular for the plasma gas, that at frequencies which are above the abovementioned lower limits, the Plasma contracted almost continuously due to its inertia. The contraction leads to an increase in the energy density and, as a result, to an increase in the weldable sheet thickness or to an increase in the maximum welding speed, without significantly increasing the line energy.
  • a focusing gas is additionally supplied via the plasma burner, through which the plasma gas is usually further constricted, wherein the plasma gas and the focusing gas are enveloped by protective gas.
  • the plasma gas volume flow or the focusing gas volume flow is changed over time.
  • the plasma gas volume flow and the focusing gas volume flow are preferably changed over time.
  • Both can be carried out with or without a temporal change of the protective gas flow rate.
  • the change in the gas volume flow of the focusing gas (FG) also takes place at a frequency which is at least 12 Hz 1, preferably at least 15 Hz, particularly preferably at least 20 Hz.
  • the advantages of the invention are manifested in a pronounced way up to frequencies of 200 Hz, particularly pronounced up to 100 Hz and in particular up to 80 Hz.
  • the plasma gas and / or the focusing gas and / or the protective gas contains at least one gas from the group of argon, helium, nitrogen and hydrogen. Accordingly, gases or gas mixtures which contain at least one gas from the group mentioned are preferably used as the plasma gas and / or as the focusing gas and / or as the protective gas.
  • gases or gas mixtures which contain at least one gas from the group mentioned are preferably used as the plasma gas and / or as the focusing gas and / or as the protective gas.
  • the definition of the appropriate gas or gas mixture Depending on the welding task, especially taking into account the base material to be welded and any additional materials. Both the pure gases and two-, three- and multi-component mixtures are advantageously used.
  • doped gas mixtures having doping with active gases in the vpm range, ie the doping preferably takes place in the range of less than 2.5% by volume, usually less than 0.1% by volume.
  • active gases such as oxygen, carbon dioxide, nitrogen monoxide, nitrous oxide (nitrous oxide) or nitrogen can be used.
  • the plasma gas volume flow and the siergasvolumenstrom are changed in time synchronously.
  • the plasma gas volume flow and the siergasvolumenstrom are mutually phase-shifted in time.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that is welded with pulsating welding current (pulsed current), each period of a pulse current phase (high current phase) and a basic current phase
  • V PG Plasma gas flow rate
  • V FG Plasma gas flow rate
  • the plasma gas volume flow and / or the focusing gas volume flow are preferably changed in time synchronously to the pulse current profile.
  • the plasma gas volume flow and / or the focusing gas volume flow are changed in phase with respect to the pulse flow profile in phase.
  • An advantageous development of the invention additionally provides that the composition of the gas mixture is changed several times during the welding process.
  • the helium content and / or the hydrogen content in the gas mixture is changed over time.
  • the plasma gas and / or the focusing gas and / or the protective gas are addressed as a gas mixture.
  • the composition of the protective gas is changed several times during the welding process.
  • the composition of the plasma gas and the focusing gas is changed in time synchronously with each other.
  • the composition of the plasma gas and the focusing gas is mutually phase-shifted with respect to time.
  • the composition of the plasma gas and / or the focusing gas is changed in time synchronously with the change in the composition of the protective gas.
  • An advantageous development of the invention provides that the composition of the plasma gas and / or the composition of the focusing gas are changed in time synchronously with the pulse current course.
  • the composition of the plasma gas and / or the composition of the focusing gas are changed in phase with respect to the pulse current profile phase-shifted.
  • the temporal change of the volume flow and / or the composition is at least partially represented by a rectangular profile.
  • the temporal change of the volume flow and / or the composition proceeds according to a modified rectangular profile, which has beveled shoulders.
  • Another advantageous embodiment of the invention provides that the temporal change of the volume flow and / or the composition is at least partially represented by a triangular profile or a sinusoidal profile.
  • the welding process can be optimized task-specific with particular advantage.
  • the change of the compositions will take place in an advantageous embodiment in synchronism with the change of the gas volume flow. In other cases, however, it may also be advantageous to change the gas volume flow and composition out of phase with one another. It is also possible to pulse gas flow and composition with different frequencies. At this point it should be noted that the easiest ways to change a
  • Gas volume flow consist in either the flow to change or a second gas jet with the same gas composition on or off.
  • a change in the composition is possible by supplying a different gas or other gas mixture, or by connecting a second / further gas (or gas mixture) possible. Consequently, the frequency with which the
  • composition of plasma gas and / or focusing gas and / or inert gas is pulsed, advantageously also at least 12 Hz, preferably at least 15 Hz, more preferably at least 20 Hz.
  • the advantages of the invention are also manifested in a pronounced way up to frequencies of 200 Hz, especially pronounced up to 100 Hz and in particular up to 80 Hz.
  • the pulses of at least one gas volume flow with the aforementioned (low) frequencies are superimposed with a further, high-frequency pulses.
  • high frequency pulsing is pure volume pulsing, but high frequency pulsing may be pulsing of the composition or pulsing of volume and composition.
  • only a high-frequency pulsing of the gas volume flow takes place in addition to the low-frequency pulses of the gas volume flow.
  • Affected by the additional high frequency pulses may be plasma gas and / or focusing gas and / or inert gas. This Additional high-frequency pulses may occur during the entire period of (low-frequency) pulses or only during a certain period of time within the period.
  • the frequencies for the high-frequency pulsing of the gas volume flow and / or composition are in the range from 100 to 10,000 Hz, preferably from 250 to 8,000 Hz and more preferably from 500 to 5,000 Hz.
  • a low-frequency pulse of the gas volume flow of the plasma can be used with particular advantage - And / or the focusing gas in the high phase and / or in the low phase, a high-frequency pusieren the plasma and / or the focusing gas are superimposed.
  • the change of at least one gas volume flow with frequencies 12 to 200 Hz, an additional high-frequency change with frequencies up to 10,000 Hz, preferably superimposed up to 8,000 Hz.
  • the invention offers a whole series of advantages, of which only a few are mentioned below by way of example:
  • Gas volume flow pulsating plasma jet advantageous the maximum achievable welding speed, with particular advantage without the path energy, i. significantly increase the energy input into the workpiece per length of the weld).
  • the welding process can be optimized task-specific with particular advantage.
  • FIG. 1 shows an example of a phase-shifted temporal change of the plasma gas volume flow and of the focusing gas volume flow in the case of a pulsed welding current
  • FIG. 2 shows an example of a synchronous temporal change of the
  • Plasma gas flow rate and focusing gas flow rate at a pulsed welding current Plasma gas flow rate and focusing gas flow rate at a pulsed welding current.
  • FIGS. 1 and 2 are to be regarded as schematic examples of the described changes in the gas volume flow over time.
  • the shapes for the profiles of welding current, plasma gas volume flow and focusing gas volume flow are only indicated here schematically. They can meet the task-specific requirements of specific welding tasks taking account of rising speeds,
  • Waste rates, intermediate pulses and shoulders e.g., at the transition from the high phase to the low phase.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen bei dem eine nichtabschmelzende Elektrode eingesetzt wird, wobei zumindest ein Plasmagas und ein Schutzgas zugeführt werden, wobei ein auf das zu schweißende Werkstück gerichteter und von Schutzgas umhüllter Plasmastrahl ausgebildet wird. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Gasvolumenstrom während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert. Vorteilhafterweise erfolgt die Änderung des Gasvolumenstroms von Plasmagas (PG) und/oder Schutzgas (SG) mit einer Frequenz, welche mindestens 12 Hz, bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz beträgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen bei dem eine nichtabschmelzende Elektrode eingesetzt wird, wobei zumindest ein Plasmagas und ein Schutzgas zugeführt werden, wobei ein auf das zu schweißende Werkstück gerichteter und von Schutzgas umhüllter Plasmastrahl ausgebildet wird.
Schweißen bezeichnet das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme oder Druck. Dabei können bei den bekannten Schweißverfahren Schweißzusatzwerkstoffe zum Einsatz kommen. Für Metalle werden meist
Schmelzschweißverfahren mit Wärmezufuhr eingesetzt. Diese könne jedoch auch beim Schweißen von Glas oder für thermoplastische Kunststoffe angewandt werden.
Beim Schmelzschweißen wird üblicherweise mit örtlich begrenztem Schmelzfluss ohne Anwendung von Kraft geschweißt.
Das Verbinden der Bauteile erfolgt bei den bekannten Verfahren in der Regel in einer Schweißnaht oder in einem Schweißpunkt.
Eine besonders interessante Gruppe der Schweißverfahren stellt das sog. Schutzgasschweißen dar. Das Schutzgasschweißen gliedert sich in mehrere voneinander klar zu trennende, verschiedene Verfahren. Beispielhaft seien hier das Metallschutzgasschweißen (MSG-Schweißen), das Wolfram-Inertgasschweißen und das Plasmaschweißen genannt.
Unter den Schutzgasschweißverfahren nimmt das Plasmaschweißen eine besondere Stellung ein. Das Plasmaschweißen ist mit einer höheren Energiekonzentration verbunden als viele der Konkurrenzverfahren.
Beim Plasmaschweißen dient ein Plasmastrahl als Wärmequelle. Der Plasmastrahl wird durch Ionisation und Einschnüren eines Lichtbogens erzeugt. Dieser brennt häufig zwischen einer nichtabschmelzenden negativen (Wolfram-) Elektrode und dem Werkstück als sog. Hauptlichtbogen (direkt übertragener Lichtbogen). Zusätzlich kann für den Zündvorgang zwischen einer nichtabschmelzenden negativen (Wolfram- )Elektrode und einer als Düse ausgebildeten Anode ein Pilotlichtbogen eingesetzt werden. Es wird mittels des Plasmagases ein auf das Werkstück gerichteter Plasmastrahl ausgebildet, der z.B. entlang eines gewünschten Schweißnahtverlaufs bewegt werden kann. Beispielsweise durch einen die Elektrode konzentrisch umgebenden Plasmabrenner werden bis zu drei Gase oder Gasgemische zugeführt, nämlich das Plasmagas, das Fokussiergas zum Einschnüren des Plasmastrahls und das Schutzgas. Der Volumenstrom jeder Gasart ist dabei zeitlich konstant.
Bei den herkömmlichen Verfahren wird der Plasmastrahl und ggf. das Fokussiergas von Schutzgas umhüllt. Der Einsatz von Schutzgas dient unter anderem dazu, dass die Schmelze während des Schweißvorgangs vor Oxidation geschützt wird.
Das Plasma-Stichlochschweißen stellt eine Variante des Plasmaschweißens dar. Das Plasma-Stichlochschweißen wird bis zu einer Blechdicke von 8 bis 10 mm eingesetzt, nicht jedoch bei einer Belchdicke unter 3 mm. Dieses Verfahren findet hauptsächlich Anwendung im Behälter- und Apparatebau und im Rohrleitungsbau.
Beim Plasma-Stichlochschweißen durchstößt der Plasmastrahl zu Beginn des Schweißvorgangs die gesamte Werkstückdicke. Dabei wird das durch Aufschmelzen des Werkstücks entstehende Schmelzbad vom Plasmastrahl zur Seite gedrückt. Die Oberflächenspannung der Schmelze verhindert ein Durchfallen durch das Stichloch. Stattdessen fließt die Schmelze hinter der sich bildenden Schweißöse wieder zusammen und erstarrt zur Schweißnaht.
Beim üblichen Plasma-Stichlochschweißen handelt es sich also um ein Verfahren, bei dem eine nichtabschmelzende und von einem Plasmabrenner konzentrisch umgebene Elektrode eingesetzt wird, wobei über den Plasmabrenner zumindest ein Plasmagas und ein Schutzgas zugeführt werden, wobei durch Ionisation des Plasmagases mit Hilfe eines Pilotlichtbogens oder einer Hochfrequenzzündung und Einschnüren des Plasmagases mit Hilfe einer gekühlten Düse ein auf das zu schweißende Werkstück gerichteter und von Schutzgas umhüllter Plasmastrahl ausgebildet wird, der die gesamte Werkstückdicke durchstößt, das durch Aufschmelzen des Werkstücks entstehende Schmelzbad zur Seite drückt, wobei durch die Oberflächenspannung der Schmelze ein Durchfallen durch das Stichloch verhindert wird, und die Schmelze hinter der sich bildenden Schweißöse wieder zusammenfließen und zur Schweißnaht erstarren lässt.
In den bekannten Verfahren wird der Schweißstrom (I) entweder konstant gehalten oder es wird mit pulsierendem Schweißstrom geschweißt. In diesem Fall setzt sich jede Periode aus einer Impulsstromphase (Hochstromphase) und einer Grundstromphase (Niedrigstromphase) zusammen.
Mit zunehmender Blechdicke reduziert sich die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit erheblich. Desweiteren ist die sichere und stabile Ausbildung des Stichloches unter praxisrelevanten Bedingungen wie z.B. bei langen Lichtbogenzeiten, unterschiedlichen Belchoberflächen, nicht-optimalem Masseanschluss u.a. mit Schwierigkeiten verbunden, insbesondere beim Plasma- Stichlochschweißen von Baustahl.
Bekannt ist es auch, beim Plasmaschweißen und Plasmastichlochschweißen das Plasmagas zu pulsen. So offenbart beispielsweise die EP 257766 ein Verfahren zum Plasmaschneiden, bei dem der Gasfluss derartig getaktet wird, dass durch die mit der Modulation des Gasflusses einhergehende Modulation der Leistungsdichte des Plasmastrahls zum Erlangen einer Perforierung genutzt wird, wobei dieses Verfahren nicht nur zum Perforieren sondern auch zum Plasma-Punktschweißen verwendet werden kann.
Auch die EP 689896 beinhaltet ein Verfahren zum Plasma- und Plasmastichlochschweißen, bei dem die Flussrate des Plasmagases zyklisch geändert wird. Als Obergrenze für die Frequenz der Modulation des Plasmagasflusses werden 10 Hz genannt, da bei höheren Frequenzen das Schweißbad leidet.
Ferner beinhaltet auch die JP 08039259 ein Verfahren zum periodischen Variieren des Plasmagases beim Plasma- und Plasmastichlochschweißen im Impulsbetrieb, bei welchem eine niedrige und eine hohe Plasmagas-Flussrate in einem festgelegten Verhältnis zueinander stehen, wobei die Periode der Plasmagas-Flussrate-Änderung jenseits einer Sekunde liegt.
Eine periodische Änderung der Zusammensetzung des Schutzgases beim Schweißen offenbart die US 3484575. Ziel dabei ist es, die Vorteile des Impulsschweißens ohne gepulste Stromquelle sondern durch Pulsen der Zusammensetzung des Schutzgases zu erreichen. Da der Lichtbogen in unterschiedlichen Medien anders brenne, werde sich durch die periodische Änderung der Schutzgaszusammensetzung bei einer vorgegebenen Schweißspannung eine Modulation des Schweißstroms einstellen, heißt es in der Druckschrift. Zur Modulation der Schutzgaszusammensetzung wird für eine nicht-abschmelzende Elektrode eine Frequenz von 10 Hz emfohlen, während für eine abschmelzende Elektrode Frequenzen von 60 Hz und mehr zum Einsatz kommen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Plasma- Stichlochschweißen zur Verfügung zu stellen, durch das die Prozesstabilität verbessert und/oder die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit erhöht wird.
Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein Gasvolumenstrom während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ändert sich also die Zusammensetzung von Plasmagas und/oder Schutzgas beim Plasmastichlochschweißen, wodurch vorteilhafterweise ein zeitlich sich verändernder Staudruck auf die Schmelze ausgeübt wird und dadurch die Schmelze in Schwingung versetzt wird.
Dadurch dass die Schmelze in Schwingung versetzt wird, erhöht sich besonders vorteilhaft die Prozesstabilität beim Zusammenfließen der Schmelze hinter dem Stichloch. Die Kinematik der Stichlochbildung wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft verändert. Des Weiteren erhöht der durch die zeitliche
Veränderung des Gasvolumenstroms pulsierende Plasmastrahl vorteilhaft die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit, mit besonderem Vorteil ohne die Streckenenergie d.h. den Energieeintrag in das Werkstück pro Länge der Schweißnaht) signifikant zu erhöhen. Als weiterer Vorteil kann z.B. durch einen zeitlich veränderlichen Gasvolumenstrom des Fokussiergases die Energiedichte des Plasmastrahls variiert werden.
Der Bezug auf eine mehrmalige zeitliche Änderung soll dazu dienen die vorliegende Erfindung von einfachen Aus- und Einschaltvorgängen am Beginn und am Ende eines Schweißprozesses klar abzugrenzen. Vorteilhafterweise erfolgt die Änderung des Gasvolumenstroms von Plasmagas (PG) und/oder Schutzgas (SG) mit einer Frequenz, welche mindestens 12 Hz, bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz beträgt. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich in ausgeprägter Weise bis hin zu Frequenzen von 200 Hz, besonders ausgeprägt bis 100 Hz und insbesondere bis 80 Hz. Es hat sich insbesondere für das Plasmagas gezeigt, dass bei Frequenzen, die über den vorgenannten Untergrenzen liegen, sich das Plasma infolge seiner Trägheit nahezu kontinuierlich kontrahiert. Die Kontraktion führt zu einer Erhöhung der Energiedichte und daraus resultierend zu einer Erhöhung der verschweißbaren Blechdicke oder zu einer Erhöhung der maximalen Schweißgeschwindigkeit, ohne die Streckenenergie signifikant zu erhöhen.
Mit besonderem Vorteil wird über den Plasmabrenner zusätzlich ein Fokussiergas zugeführt, durch das üblicherweise das Plasmagas weiter eingeschnürt wird, wobei das Plasmagas und das Fokussiergas von Schutzgas umhüllt werden.
Zweckmäßigerweise wird der Plasmagasvolumenstrom oder der Fokussiergasvolumenstrom über die Zeit verändert. Bevorzugt werden der Plasmagasvolumenstrom und der Fokussiergasvolumenstrom zeitlich verändert.
Beides kann mit oder ohne eine zeitliche Veränderung des Schutzgasvolumenstroms durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise erfolgt auch die Änderung des Gasvolumenstroms des Fokussiergases (FG) mit einer Frequenz, welche mindestens 12 Hz1 bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz beträgt. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich in ausgeprägter Weise bis hin zu Frequenzen von 200 Hz, besonders ausgeprägt bis 100 Hz und insbesondere bis 80 Hz.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Plasmagas und/oder das Fokussiergas und/oder das Schutzgas mindestens ein Gas aus der Gruppe von Argon, Helium, Stickstoff und Wasserstoff enthält. Bevorzugt werden demnach als Plasmagas und/oder als Fokussiergas und/oder als Schutzgas Gase oder Gasgemische verwendet, die mindestens ein Gas aus der genannten Gruppe enthalten. Die Festlegung des geeigneten Gases bzw. des geeigneten Gasgemisches erfolgt in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe, besonders unter Berücksichtigung des zu schweißenden Grundwerkstoffs und etwaiger Zusatzwerkstoffe. Es kommen sowohl die Reingase als auch Zwei-, Drei- und Mehr-Komponenten-Gemische vorteilhaft zum Einsatz. In vielen Fällen haben sich auch dotierte Gasgemische als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei dotierte Gasgemische Dotierungen mit aktiven Gasen im vpm-Bereich aufweisen, d.h. die Dotierung erfolgt bevorzugt im Bereich von weniger als 2,5 Volumenprozent, meist weniger als 0,1 Volumenprozent. Als Dotiergase können aktive Gase wie z.B. Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Lachgas (Distickstoffmonoxid) oder Stickstoff eingesetzt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom und der Fokussiergasvolumenstrom synchron zueinander zeitlich verändert.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom und der Fokussiergasvolumenstrom zueinander phasenverschoben zeitlich verändert werden.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mit pulsierendem Schweißstrom (Impulsstrom) geschweißt wird, wobei jede Periode aus einer Impulsstromphase (Hochstromphase) und einer Grundstromphase
(Niedrigstromphase) zusammengesetzt wird. Beim Schweißen mit pulsierendem
Schweißstrom (Impulsstrom) kann mit besonderem Vorteil der
Plasmagasvolumenstrom (VPG) und/oder der Fokussiergasvolumenstrom (VFG) synchron oder phasenverschoben zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.
Es kann jedoch für bestimmte Anwendungen auch besonders vorteilhaft sein mit
Konstantstrom anstatt mit Impulsstrom zu schweißen.
Beim Schweißen mit Impusstrom werden der Plasmagasvolumenstrom und/oder der Fokussiergasvolumenstrom bevorzugt synchron zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom und/oder der Fokussiergasvolumenstrom zum Impulsstromverlauf phasenverschoben zeitlich verändert. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht zusätzlich vor, dass die Zusammensetzung der Gasmischung während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert wird. Bevorzugt wird der Heliumanteil und/oder der Wasserstoffanteil in der Gasmischung zeitlich verändert wird. Dabei sind hier das Plasmagas und/oder das Fokussiergas und/oder das Schutzgas als Gasmischung angesprochen.
Beispielsweise wird die Zusammensetzung des Schutzgases während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert.
Bevorzugt wird die Zusammensetzung des Plasmagases und des Fokussiergases synchron zueinander zeitlich verändert wird.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Zusammensetzung des Plasmagases und des Fokussiergases zueinander phasenverschoben zeitlich verändert.
Besonders bevorzugt wird die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Fokussiergases synchron zur Änderung der Zusammensetzung des Schutzgases zeitlich verändert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder die Zusammensetzung des Fokussiergases synchron zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.
Gemäß einer anderen günstigen Ausgestaltung der Erfindung werden die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder die Zusammensetzung des Fokussiergases zum Impulsstromverlauf phasenverschoben zeitlich verändert.
Zweckmäßigerweise wird die zeitliche Veränderung des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung zumindest zum Teil durch ein Rechteckprofil dargestellt.
Mit besonderem Vorteil verläuft die zeitliche Veränderung des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung nach einem modifizierten Rechteckprofil, das abgeschrägte Schultern aufweist. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zeitliche Veränderung des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung zumindest zum Teil durch ein Dreieckprofil oder ein sinusförmiges Profil dargestellt wird.
Durch geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann der Schweißprozess mit besonderem Vorteil aufgabenspezifisch optimiert werden.
Die Änderung der Zusammensetzungen wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung synchron zur Änderung des Gasvolumenstroms stattfinden. In anderen Fällen kann es jedoch auch von Vorteil sein, Gasvolumenstrom und Zusammensetzung phasenverschoben zueinander zu ändern. Möglich ist es auch Gasvolumenstrom und Zusammensetzung mit unterschiedlichen Frequenzen zu pulsen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die einfachsten Möglichkeiten zur Änderung eines
Gasvolumenstroms darin bestehen, entweder den Fluss zu ändern oder einen zweiten Gasstrahl mit gleicher Gaszusammensetzung zu- beziehungsweise wegzuschalten. Eine Veränderung der Zusammensetzung ist durch Zufuhr eines anderen Gases oder anderen Gasmischung möglich, oder durch Zuschalten eines zweiten/weiteren Gases (oder Gasmischung) möglich. Folglich beträgt die Frequenz, mit der die
Zusammensetzung von Plasmagas und/oder Fokussiergas und/oder Schutzgas gepulst wird, vorteilhafterweise ebenfalls mindestens 12 Hz, bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich ebenfalls in ausgeprägter Weise bis hin zu Frequenzen von 200 Hz, besonders ausgeprägt bis 100 Hz und insbesondere bis 80 Hz.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dem Pulsen mindestens eines Gasvolumenstroms mit den vorgenannten (niederigen) Frequenzen mit einem weiteren, hochfreuenten Pulsen überlagert. Mit besonderen Vorteilen handelt es sich bei dem Hochfrequenz-Pulsen um ein reines Volumenpulsen, jedoch kann es sich beim Hochfrequenz-Pulsen um ein Pulsen der Zusammensetzung oder um ein Pulsen von Volumen und Zusammensetzung handeln. Vorteilhafterweise findet jedoch neben dem niederfrequenten Pulsen des Gasvolumenstroms nur ein hochfrequentes Pulsen des Gasvolumenstroms statt. Betroffen von dem zusätzlichen Hochfrequenz-Pulsen können Plasmagas und/oder Fokussiergas und/oder Schutzgas sein. Dieses zusätzliche Hochfrequenz-Pulsen kann während der gesamten Periode des (niederfrequenten) Pulsen erfolgen oder auch nur während einer gewissen Zeitspanne innerhalb der Periode. Die Frequenzen für das Hochfrequenz-Pulsen des Gasvolumenstroms und/oder Zusammensetzung liegen im Bereich von 100 bis 10000 Hz, vorzugsweise von 250 bis 8000 Hz und besonders bevorzugt von 500 bis 5000 Hz. Zum Beispiel kann mit besonderem Vorteil einem niederfrequenten Impuls des Gasvolumenstroms des Plasma- und/oder des Fokussiergases in der Hochphase und/oder in der Niedrigphase ein hochfrequentes Pusieren des Plasma- und/oder des Fokussiergases überlagert werden.
Vorteilhafterweise wird der Änderung mindestens eines Gasvolumenstroms mit Frequenzen 12 bis 200 Hz eine zusätzliche hochfrquente Änderung mit Frequenzen bis zu 10000 Hz, vorzugsweise bis zu 8000 Hz überlagert.
Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen, von denen im Folgenden nur einige beispielhaft genannt werden:
Dadurch dass die Schmelze in Schwingung versetzt wird, erhöht sich besonders vorteilhaft die Prozesstabilität beim Zusammenfließen der Schmelze hinter dem Stichloch. Des Weiteren erhöht der durch die zeitliche Veränderung des
Gasvolumenstroms pulsierende Plasmastrahl vorteilhaft die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit, mit besonderem Vorteil ohne die Streckenenergie d.h. den Energieeintrag in das Werkstück pro Länge der Schweißnaht) signifikant zu erhöhen. Durch geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann der Schweißprozess mit besonderem Vorteil aufgabenspezifisch optimiert werden.
Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Einzelnen zeigen die Figuren
Figur 1 ein Beispiel für eine jeweils phasenverschobene zeitliche Änderung des Plasmagasvolumenstroms und des Fokussiergasvolumenstroms bei einem gepulsten Schweißstrom, Figur 2 ein Beispiel für eine synchrone zeitliche Änderung des
Plasmagasvolumenstroms und des Fokussiergasvolumenstroms bei einem gepulsten Schweißstrom.
In beiden Figuren 1 und 2 ist auf der x-Achse der Darstellungen die Zeit angetragen. In y-Richtung sind im Einzelnen folgende Größen angetragen: Schweißstrom I, Plasmagasvolumenstrom VSPG und Fokussiergasvolumenstrom VSFG-
In beiden Figuren sind den sog. großen, niederfrequenten Pulsen des Plasmagasvolumenstroms VSPG und des Fokussiergasvolumenstroms VSFG mit ausgeprägter Amplitude sog. kleine, hochfrequente Pulse mit kleiner Amplitude überlagert. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft.
In der Figur 2 sind alle gezeigten Amplitudenänderungen zueinander synchron.
Die Figuren 1 und 2 sind als schematische Beispiele für die beschriebenen zeitlichen Änderungen des Gasvolumenstroms zu betrachten. Die Formen für die Verläufe von Schweißstrom, Plasmagasvolumenstrom und Fokussiergasvolumenstrom sind hier nur schematisch angegeben. Sie können den aufgabenspezifischen Anforderungen von konkreten Schweißaufgaben Rechnung tragende Anstiegsgeschwindigkeiten,
Abfallgeschwindigkeiten, Zwischenimpulse und Schultern (z.B. beim Übergang von der Hochphase zur Niedrigphase) aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen bei dem eine nichtabschmelzende Elektrode eingesetzt wird, wobei zumindest ein Plasmagas (PG) und ein Schutzgas (SG) zugeführt werden, wobei ein auf das zu schweißende Werkstück gerichteter Plasmastrahl ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gasvolumenstrom während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, die Änderung des Gasvolumenstroms von Plasmagas (PG) und/oder Schutzgas (SG) mit einer
Frequenz erfolgt, welche mindestens 12 Hz, bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über den Plasmabrenner zusätzlich ein Fokussiergas (FG) zugeführt wird, wobei das
Plasmagas (PG) und das Fokussiergas (FG) von Schutzgas (SG) umhüllt werden und wobei der Plasmagasvolumenstrom (VSPG) und/oder der Fokussiergasvolumenstrom (VSFG) und/oder der Schutzgasvolumenstrom (VSSG) zeitlich verändert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Fokussiergases und/oder des Schutzgases während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagasvolumenstrom (VPG) und der Fokussiergasvolumenstrom (VFG) synchron zueinander oder zueinander phasenverschoben zeitlich verändert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit pulsierendem Schweißstrom (Impulsstrom) geschweißt wird, wobei jede Periode aus einer Impulsstromphase (Hochstromphase) und einer Grundstromphase (Niedrigstromphase) zusammengesetzt wird und wobei Plasmagasvolumenstrom (VPG) und/oder der Fokussiergasvolumenstrom (VFG) synchron oder phasenverschoben zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Zusammensetzung und Gasvolumenstrom zueinander synchron zeitlich verändert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Gasvolumenstroms von Fokussiergas (FG) und/oder die
Änderung der Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Fokussiergases und/oder des Schutzgases Schutzgas (SG) mit einer Frequenz erfolgt, welche mindestens 12 Hz, bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Änderung mindestens eines Gasvolumenstroms mit Frequenzen 12 bis 200 Hz eine zusätzliche hochfrquente Änderung mit Frequenzen bis zu 10000 Hz, vorzugsweise bis zu 8000 Hz überlagert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas (PG) und/oder das Fokussiergas (FG) und/oder das Schutzgas (SG) mindestens ein Gas aus der Gruppe von Argon, Helium, Stickstoff und Wasserstoff enthält.
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