WO2016124335A1 - Verfahren zum schweissen oder schneiden mittels eines lichtbogens - Google Patents

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WO2016124335A1
WO2016124335A1 PCT/EP2016/000182 EP2016000182W WO2016124335A1 WO 2016124335 A1 WO2016124335 A1 WO 2016124335A1 EP 2016000182 W EP2016000182 W EP 2016000182W WO 2016124335 A1 WO2016124335 A1 WO 2016124335A1
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arc
welding
gas mixture
workpiece
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PCT/EP2016/000182
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Inventor
Erwan Siewert
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Linde Aktiengesellschaft
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    • 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 invention relates to a method for welding or cutting by means of an arc, in particular for tungsten inert gas welding or to
  • Plasma welding wherein the arc between an electrode of a burner and a workpiece to be machined is initiated.
  • Tungsten inert gas welding is a
  • Arc welding process for example, for build-up welding
  • the workpiece and an electrode of a corresponding burner to the tungsten inert gas welding are electrically connected to a welding power source.
  • the electrode is composed of pure or doped tungsten.
  • An arc burns between the electrode and the workpiece.
  • the workpiece is at least partially melted, where it forms the molten bath.
  • the electrode is used as a cathode and the workpiece as the anode, wherein electrons from the electrode in the
  • Plasma welding is a special design of tungsten inert gas welding. In plasma welding, at least two independent gases or
  • a plasma gas or center gas which is ionized (at least partially) by the high temperature and the high energy of the arc.
  • the arc thus creates a plasma.
  • argon or a gas mixture of argon with proportions of hydrogen or helium is used as plasma gas.
  • the outer gas acts as a protective gas.
  • Electrode of the respective burner and the workpiece vice versa In welding or cutting, in particular in tungsten inert gas welding or plasma welding of aluminum, aluminum alloys, bronze or other materials that form refractory oxides, is often the polarity of the Electrode of the respective burner and the workpiece vice versa. The electrode is then used as the anode and the workpiece as the cathode. Thus, electrons transfer from the workpiece to the electrode. Through this from the workpiece
  • helium-containing or hydrogen-containing protective gases can be used. When using these gases or gas mixtures and at
  • Gases or gas mixtures which have advantageous properties when welding or cutting materials which do not form refractory oxides, can generally not be used for materials which form high-melting oxides because of ignition problems or misfires.
  • gases with a high ionizing voltage and / or a reducing effect can lead to ignition problems.
  • auxiliary current sources can be used which are suitable for preionization of the free
  • a pilot arc (or auxiliary arc) can be ignited between the electrode (as cathode) and a further element of the burner (as anode), in particular a plasma or protective gas nozzle.
  • This auxiliary arc is a so-called non-transmitted arc.
  • Main arc is a transmitted arc.
  • the use of an auxiliary arc is not possible.
  • the plasma or protective gas nozzle which is usually made as a copper nozzle, would have to act as a cathode.
  • the plasma or inert gas nozzle offers poor exit conditions for the electrons, so that the initiation of a stable auxiliary arc is usually not possible. It is therefore desirable to weld or cut by means of a
  • Arc in particular the tungsten inert gas welding or plasma welding to improve in that the arc can be initiated more easily and that ignition problems and misfiring can be avoided.
  • This object is achieved by a method for welding or cutting by means of an arc, in particular for tungsten inert gas welding or to
  • the inventive method is particularly suitable for all types of
  • Welding and / or cutting by means of an arc in particular for tungsten inert gas welding or plasma welding.
  • the arc is initiated between an electrode of a burner and a workpiece to be machined.
  • the corresponding burner for welding or cutting is designed in particular as a welding torch for tungsten inert gas welding or for plasma welding.
  • the electrode of the burner is in particular a non-consumable electrode.
  • the electrode and the workpiece are each with a pole of a Arc current source connected. Electrode and workpiece are thus energized with an arc current.
  • the electrode of the burner is charged with a gas mixture for a period of 1 to 30 seconds, whereby an oxidation layer is formed on the electrode of the burner, wherein the gas mixture contains a proportion of active gases.
  • the work function at the electrode is reduced by the formation of an oxidation layer at the electrode.
  • the initiation of the arc is greatly facilitated. Ignition problems and misfires are avoided and ignition safety is increased.
  • the complexity of a corresponding apparatus or a corresponding burner for welding or cutting can be reduced, manufacturing and maintenance costs of the device can be reduced.
  • the initiation of the arc can be simplified.
  • the work function of electrons from the electrode or from the workpiece is reduced by the oxidation of the surface. Exit conditions for the electron emission can thus be improved.
  • a reduced work function in turn, the required
  • the electrode should be charged with the gas mixture until only a very thin oxidation layer is formed on the electrode and that no appreciable destruction of the electrode occurs.
  • the duration of the application is 1 to 30 seconds, preferably 1 to 10 seconds, particularly preferably 1 to 5 seconds.
  • the gas mixture contains a proportion of active gases, which leads to the oxidation of the ⁇ combustion-side electrode surface.
  • the gas mixture at and / or after switching off the
  • the shutdown phase is to be understood in particular as the end of the welding or cutting process.
  • Cutting process can thus be facilitated the initiation of the arc in the course of a next welding or cutting process.
  • the gas mixture can also be supplied during an ignition phase.
  • the ignition phase the arc is at the beginning of the welding or
  • the workpiece preferably does not come into contact with the gas mixture during the supply of the gas mixture to the electrode in order to avoid influencing the workpiece by the active gases.
  • the gas mixture is fed to the electrode through a feed, which is aimed at the electrode, so that the gas mixture does not reach the workpiece as far as possible.
  • the gas mixture is advantageously supplied with a proportion of active gases, in particular with a proportion of 1 to 100 ppm, 100 to 1000 ppm, 1000 to 10000 ppm, 1 to 5%, 5 to 10%, 10 up to 15% or 15 to 20%.
  • a gas mixture is supplied with a comparatively small proportion of active gases.
  • oxidizing gas is preferably used oxygen or an oxygen-containing gas mixture and / or carbon dioxide or a carbon dioxide-containing gas mixture.
  • a targeted oxidation of the surface of the electrode and / or the workpiece can be achieved by this proportion of active gases.
  • the initiation of the arc is particularly dependent on the surface of the cathode and the anode.
  • the temperature of the electrode is preferably 1000 to 3000 K, preferably 1500 K to 2500 K, so that formation of the oxidation layer is possible.
  • a protective gas and / or a plasma gas containing helium and / or hydrogen it is preferable to supply a protective gas and / or a plasma gas containing helium and / or hydrogen.
  • the amount of helium and / or hydrogen is preferably reduced to initiate the arc.
  • the amount of helium and / or hydrogen is increased. In particular, it will be during welding or cutting
  • helium and / or hydrogen set comparatively high proportion of helium and / or hydrogen, in particular a proportion of up to 100% helium or up to 15% hydrogen. For example, 85% helium and 15% hydrogen, 90% helium and 10% hydrogen, or 95% helium and 5% hydrogen are set.
  • a comparatively small amount of helium and / or of hydrogen is set, in particular a fraction of zero or a few percent, such as e.g. 1, 2, 3, 4 or 5%.
  • valves may be provided in a protective gas or plasma gas line.
  • a corresponding protective gas or plasma gas supply may comprise a suitable mixing device.
  • the active gases are supplied with the inert gas to the electrode.
  • the proportion of active gases in the protective gas is described previously.
  • the active gases may be supplied separately in addition to the electrode. In this case, pure technical oxygen or carbon dioxide could be used as active gases.
  • a delay of the application of the gas mixture vorzugsweide the time of the delay is compensated.
  • a delay could be caused by, for example, a hose package through which the gas mixture is supplied.
  • the time of the supply or admission of the gas mixture is under Taking into account the delay so that the supply of the gas mixture to the electrode takes place at the time of the above-mentioned temperature range and the formation of the oxidation layer can be controlled.
  • a distance between the electrode and the workpiece is reduced to reduce an ignition voltage for initiating the arc.
  • the ignition voltage By reducing the ignition voltage, the occurrence of strong electromagnetic fields can be reduced. It can be avoided that high ignition voltages inadvertently skip over to other components. Thus, interference and destruction of other components and peripherals can be avoided.
  • an automation of the welding or cutting process can be considerably facilitated and realized cost-effectively.
  • inventive aspects are combined, by means of which the distance between the electrode and the workpiece can be selectively changed, even during the Sch personalityg. Cutting process.
  • another, smaller distance between the electrode and the workpiece is set to initiate the arc, as during the subsequent welding or cutting process.
  • a touch ignition can be implemented in which electrode and workpiece are brought into contact to initiate the arc. The distance between the electrode and the workpiece is thus reduced to initiate the arc, in particular to a minimum, in particular to zero.
  • the electrode of the invention is a liquid crystal
  • Burner energized as an anode and the workpiece to be machined is energized as a cathode (so-called positive pole technique).
  • this polarity of the electrode and workpiece results in disadvantages and problems in comparison to a reverse polarity of the electrode as the cathode and of the workpiece as the anode.
  • These disadvantages and problems can be avoided by initiating the arc according to the invention.
  • high ignition voltages often result and ignition problems can occur.
  • the welding or Cutting can be improved and simplified with an electrode energized as an anode.
  • the charge carrier density in the ignition path is preferably increased by one or more of the following measures:
  • the electrode and / or the workpiece are preferably irradiated with high-energy radiation, in particular with a laser radiation.
  • the electrode and / or the workpiece or the gas surrounding the two electrodes are preferably heated by a heating coil and / or an external metal vapor.
  • a non-transferred arc is ignited.
  • the electrode and / or the workpiece are preferably tempered.
  • a material of the electrode and / or the workpiece is preferably evaporated.
  • This untransferred arc is ignited in particular between the workpiece and another, in particular non-consumable, electrode or between two electrodes, which need not necessarily be used for the welding process.
  • the electrode or workpiece can be tempered by an additional current source, which is connected to the electrode or the
  • Workpiece is electrically connected.
  • the corresponding material of the electrode or the workpiece can be evaporated.
  • the charge carrier density in the ignition path is thus increased in particular by one or more additional sources independent of the arc.
  • a corresponding device may be provided for each of these independent sources, for example a laser, the heating coil, the further, in particular non-consumable, electrode or the additional current source.
  • This corresponding device can be integrated into the torch for welding or cutting itself be or additionally attached to this (add-on), for example, on one side of the burner.
  • the roughness of the workpiece is increased by providing an elevation and / or a recess on the workpiece to increase the electric field strength and thus facilitate the initiation of the arc.
  • the electric field strength is not only high voltage or fast
  • a firing pin is introduced into the workpiece.
  • This ignition pin can be introduced and fixed, for example, through a hole in the workpiece. At the time of ignition, the ignition pin is in the
  • Arc axis Arc axis.
  • the arc starts in particular at this ignition pin on the workpiece.
  • the distance between the electrode and the workpiece is reduced by this ignition pin.
  • the electric field strength is increased by the ignition pin.
  • This ignition pin is formed in particular of the same material as the workpiece.
  • the cathode surface is in particular greatly reduced by using this ignition pin.
  • a field distortion and in particular the electric field strength at the workpiece or in a region of the pin are thus increased by means of the ignition pin. Electrons are easier to dissolve out of the cathode.
  • the ignition pin can at least partially evaporate when initiating the arc, whereby additional charge carriers are available. Thus, the charge carrier density in the ignition gap between the electrode and the workpiece is increased by the firing pin.
  • the ignition pin can significantly improve the initiation of the arc.
  • the use of such ignition pins has the advantage that only one power source is necessary.
  • the ignition pins in plasma welding on an auxiliary arc and thus dispensing with an additional power source for this auxiliary arc to initiate the arc. Complexity and costs of plasma welding can thus be reduced.
  • a rod-shaped and / or cylindrical body is introduced as a firing pin in the workpiece.
  • the ignition pin is made of the material of
  • the arc causes the firing pin to melt, causing the material of the firing pin to merge into the molten bath.
  • an auxiliary arc between the electrode and a component of the burner is ignited to initiate the arc.
  • the electrode and a component of the burner is ignited to initiate the arc.
  • auxiliary arc between the electrode and a plasma and / or protective gas nozzle ignited as a component of the burner.
  • the auxiliary arc is in particular a non-transmitted arc.
  • the auxiliary arc is in particular a
  • the auxiliary arc increases the charge carrier density in the ignition gap between the electrode and the workpiece.
  • this component of the burner is energized as the anode and the electrode of the burner as a cathode in the positive pole technique.
  • the auxiliary arc is ignited and burns between the energized as an anode burner component and the cathode energized electrode.
  • the component as the anode and the electrode as the cathode of the auxiliary arc stable between the component and the electrode burn.
  • the auxiliary arc is switched off and the arc (or main arc) is ignited.
  • the auxiliary arc can be switched off simultaneously with the ignition of the arc or the auxiliary arc can be switched off at a predetermined time interval (for example, 0.1 ms, 1 ms, 10 ms,) before the ignition of the arc.
  • a predetermined time interval for example, 0.1 ms, 1 ms, 10 ms,
  • predetermined time interval is in particular less than a decay time of the auxiliary arc plasma, so that the ignition gap remains sufficiently ionized until the initiation of the arc.
  • the burner-side electrode is preheated by the auxiliary arc and thereby ignited during ignition
  • auxiliary arc is conventionally not possible when the electrode of the burner is energized as an anode.
  • the electrode of the burner is energized as an anode.
  • a cathode material is introduced into the component of the burner, to which the auxiliary arc attaches, for igniting the auxiliary arc between the electrode and the component.
  • the electrode is preferably energized as an anode and the component as a cathode.
  • Shielding gas nozzles poor exit conditions, whereby the initiation of a stable auxiliary arc when current supplied to the component as a cathode is usually not possible. Due to the preferred introduction of the cathode material into the component, ignition and stable burning of the auxiliary arc are still possible.
  • the auxiliary arc is ignited between the electrode energized as an anode and the component energized as a cathode and burns between them.
  • Cathode material is thereby introduced into the component such that the auxiliary arc can stably attach to this cathode material and thus to the component.
  • doped tungsten is introduced as the cathode material into the component.
  • the cathode material may for example be introduced in the form of an insert in the component. This insert can, for example, mechanically into the component plugged in and removed again from this.
  • the cathode material may also be firmly connected to the component.
  • the cathode material may be sintered or cast in the course of a manufacturing process of the component.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden mittels eines Lichtbogens, insbesondere zum Wolfram-Inertgasschweißen oder zum Plasmaschweißen, wobei der Lichtbogen zwischen einer Elektrode eines Brenners und einem zu bearbeitenden Werkstück initiiert wird, wobei zur Initiierung des Lichtbogens die Elektrode des Brenners mit einem Gasgemisch für eine Dauer von 1 bis 30 Sekunde beaufschlagt wird, wodurch eine Oxidationsschicht auf die Elektrode des Brenners gebildet wird, wobei das Gasgemisch einen Anteil von aktiven Gasen enthält.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Schweißen oder Schneiden mittels eines Lichtbogens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden mittels eines Lichtbogens, insbesondere zum Wolfram-Inertgasschweißen oder zum
Plasmaschweißen, wobei der Lichtbogen zwischen einer Elektrode eines Brenners und einem zu bearbeitenden Werkstück initiiert wird.
Stand der Technik
Beim Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen) handelt es sich um ein
Lichtbogenschweißverfahren, das beispielsweise zum Auftragsschweißen,
Verschweißen oder Verlöten von ein, zwei oder mehreren Werktücken aus
metallischen Werkstoffen verwendet wird. Das Werkstück und eine Elektrode eines entsprechenden Brenners zu den Wolfram-Inertgasschweißen werden elektrisch mit einer Schweißstromquelle verbunden. Die Elektrode ist dabei aus reinem oder dotiertem Wolfram zusammengesetzt. Ein Lichtbogen brennt zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Das Werkstück wird dabei zumindest teilweise aufgeschmolzen und bildet dort das Schmelzbad. Zumeist wird die Elektrode als Kathode verwendet und das Werkstück als Anode, wobei Elektronen von der Elektrode aus in das
Werkstück übergehen.
Das Plasmaschweißen ist eine spezielle Ausführung des Wolfram-Inertgasschweißens. Beim Plasmaschweißen werden wenigstes zwei unabhängige Gase bzw.
Gasgemische benötigt. Zum einen ein Plasmagas bzw. Zentrumsgas, welches durch die hohe Temperatur und die hohe Energie des Lichtbogens (zumindest teilweise) ionisiert wird. Durch den Lichtbogen wird somit ein Plasma erzeugt. Als Plasmagas wird insbesondere Argon oder ein Gasgemisch aus Argon mit Anteilen an Wasserstoff oder Helium verwendet. Das Außengas fungiert dabei als ein Schutzgas.
Beim Schweißen oder Schneiden, insbesondere beim Wolfram-Inertgasschweißen bzw. beim Plasmaschweißen von Aluminium, Aluminiumlegierungen, Bronze oder weiteren Werkstoffen, die hochschmelzende Oxide bilden,, wird häufig die Polarität der Elektrode des jeweiligen Brenners und des Werkstücks umgekehrt. Die Elektrode wird dann als Anode verwendet und das Werkstück als Kathode. Somit gehen Elektronen von dem Werkstück in die Elektrode über. Durch diese aus dem Werkstück
austretenden Elektronen kann eine Oxidschicht, welche sich auf dem Werkstück bildet, aufgelöst werden, wodurch eine Reinigungswirkung erzielt wird.
Um beim Schweißen oder Schneiden von derartigen Werkstoffen den Energieeintrag in das Werkstück zu erhöhen, können heliumhaltige oder wasserstoffhaltige Schutzgase eingesetzt werden. Bei Verwendung dieser Gase bzw. Gasgemische und bei
Verwendung der Elektrode als Anode kommt es jedoch oftmals zu hohen
Zündspannungen und zu Zündproblemen beim Zünden bzw. Initiieren des
Lichtbogens. Gase bzw. Gasgemische, welche beim Schweißen oder Schneiden von Werkstoffen, die keine hochschmelzenden Oxide bilden, vorteilhafte Eigenschaften besitzen, können für Werkstoffe, die hochschmelzende Oxide bilden, aufgrund von Zündproblemen bzw. Zündaussetzer zumeist nicht eingesetzt werden. Beispielsweise können Gase mit einer hohen lonisierungsspannung und/oder einer reduzierenden Wirkung zu Zündproblemen führen. Insbesondere für die automatisierte Fertigung beim automatisierten Schweißen oder Schneiden sind solche Zündprobleme bzw.
Zündaussetzer nicht tragbar.
Weiterhin weißt das zumeist ebene, flächige Werkstück aufgrund seiner Geometrie, seiner chemischen Zusammensetzung sowie einer geringen Temperatur schlechte Austrittsbedingung für die Emission von Elektronen auf. Folglich steigen die
erforderliche elektrische Feldstärke und damit die notwendige Zündspannung zum Initiieren des Lichtbogens. Derartige hohe Zündspannungen sind schwierig zu kontrollieren und erfordern oftmals spezielle kostenintensive Zündgeräte. Des Weiteren bedürfen hohe Zündspannungen einer aufwendigen und platzeinnehmenden
Brennerisolation. Weiterhin führen hohen Zündspannungen zu starken
elektromagnetischen Feldern, welche elektronischen Peripheriegeräte stören können. Hohe Zündspannungen können unbeabsichtigt auf andere Bauteile überspringen und diese stören oder gar zerstören.
Wenn die Elektrode beim Plasmaschweißen als Kathode verwendet wird, können Hilfsstromquellen verwendet werden, die für eine Vorionisierung der freien
Lichtbogenstrecke zwischen Elektrode und Werkstück sorgen und somit die Zündung (Initiierung) des Lichtbogens ermöglichen. Beispielsweise kann zwischen der Elektrode (als Kathode) und einem weiteren Element des Brenners (als Anode), insbesondere einer Plasma- oder Schutzgasdüse, ein Pilotlichtbogen (bzw. Hilfslichtbogen) gezündet werden. Dieser Hilfslichtbogen ist ein sogenannter nicht übertragener Lichtbogen. Mittels dieses Hilfslichtbogens kann der Lichtbogen (bzw. Hauptlichtbogen) zwischen der Elektrode und dem Werkstück initiiert werden. Der Lichtbogen bzw.
Hauptlichtbogen ist ein übertragener Lichtbogen.
Bei der Pluspoltechnik, also bei Verwendung der Elektrode als Anode, ist der Einsatz eines Hilfslichtbogens jedoch nicht möglich. Die Plasma- oder Schutzgasdüse, welche zumeist als Kupferdüse gefertigt ist, müsste dabei als Kathode fungieren. Jedoch bietet die Plasma- oder Schutzgasdüse schlechte Austrittsbedingungen für die Elektronen, so dass die Initiierung eines stabilen Hilfslichtbogens zumeist nicht möglich ist. Es ist daher wünschenswert, das Schweißen oder Schneiden mittels eines
Lichtbogens, insbesondere das Wolfram-Inertgasschweißen oder Plasmaschweißen dahingehend zu verbessern, dass der Lichtbogen leichter initiiert werden kann und dass Zündprobleme und Zündaussetzer vermieden werden können. Kurzfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Schweißen oder Schneiden mittels eines Lichtbogens, insbesondere zum Wolfram-Inertgasschweißen oder zum
Plasmaschweißen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für alle Arten des
Schweißens und/oder Schneidens mittels eines Lichtbogens, insbesondere für das Wolfram-Inertgasschweißen oder das Plasmaschweißen. Der Lichtbogen wird zwischen einer Elektrode eines Brenners und einem zu bearbeitenden Werkstück initiiert. Der entsprechende Brenner zum Schweißen oder Schneiden ist insbesondere als ein Schweißbrenner zum Wolfram-Inertgasschweißen oder zum Plasmaschweißen ausgebildet. Die Elektrode des Brenners ist insbesondere eine nicht abschmelzende Elektrode. Die Elektrode und das Werkstück werden jeweils mit einem Pol einer Lichtbogenstromquelle verbunden. Elektrode und Werkstück werden somit mit einem Lichtbogenstrom bestromt.
Zur Initiierung des Lichtbogens wird die Elektrode des Brenners mit einem Gasgemisch für eine Dauer von 1 bis 30 Sekunde beaufschlagt, wodurch eine Oxidationsschicht auf die Elektrode des Brenners gebildet wird, wobei das Gasgemisch einen Anteil von aktiven Gasen enthält.
Vorteile der Erfindung
Durch dieerfindungsgemäßen Aspekte wird die Austrittarbeit an der Elektrode durch die Bildung einer Oxidationsschicht an der Elektrode verringert. Das Initiieren des Lichtbogens wird erheblich erleichtert. Zündprobleme und Zündaussetzer werden vermieden und die Zündsicherheit wird erhöht. Die Komplexität einer entsprechenden Vorrichtung bzw. eines entsprechenden Brenners zum Schweißen oder Schneiden kann reduziert werden, Herstellungs- und Instandhaltungskosten der Vorrichtung können gesenkt werden.
Durch die Oxidation der Oberfläche der brennseitigen Elektrode kann das Initiieren des Lichtbogens vereinfacht werden. Insbesondere wird durch die Oxidation der Oberfläche die Austrittsarbeit von Elektronen aus der Elektrode bzw. aus dem Werkstück verringert. Austrittsbedingungen für die Elektronenemission können somit verbessert werden. Durch eine verringerte Austrittsarbeit werden wiederum die benötigte
Feldstärke und die benötigte Zündspannung zum Initiieren des Lichtbogens reduziert. Die Elektrode soll so lang mit dem Gasgemisch beaufschlagt werden bis nur eine sehr dünne Oxidationsschicht an der Elektrode gebildet wird und dass keine nennenswerte Zerstörung der Elektrode auftritt. Die Dauer der Beaufschlagung beträgt 1 bis 30 Sekunden, bevorzugt 1 bis 10 Sekunden, besonders bevorzugt 1 bis 5 Sekunden. Das Gasgemisch enthält einen Anteil von aktiven Gasen, welche zur Oxidation der ■ brennseitigen Elektrodenoberfläche führt.
Vorzugsweise wird das Gasgemisch beim und/oder nach dem Abschalten des
Lichtbogens der Elektrode zugeführt. Insbesondere beginnt die Zuführung des
Gasgemisches innerhalb 10 Sekunden, bevorzugt innerhalb 5 Sekunden, besonders bevorzugt innerhalb 2 Sekunden, ganz besonders innerhalb 1 Sekunde ab dem Abschalten des Lichtbogens. Es ist wichtig, dass die Elektrode während der Zuführung bzw. Beaufschlagung des Gasgemisches noch eine hohe Temperatur aufweist, um eine Oxidationsschicht an der Elektrodenoberfläche zu bilden. Als Abschaltphase ist insbesondere das Ende des Schweiß- bzw. Schneidprozesses zu verstehen. Durch Zuführen des Gasgemischs während der Abschaltphase eines Schweiß- bzw.
Schneidprozesses kann somit das Initiieren des Lichtbogens im Zuge eines nächsten Schweiß- bzw. Schneidprozesses vereinfacht werden.
Alternativ kann das Gasgemisch auch während einer Zündphase zugeführt werden. Während der Zündphase wird der Lichtbogen am Anfang des Schweiß- bzw.
Schneidprozesses initiiert.
Bei oxidations- bzw. sauerstoffempfindlichen Werkstoffen kommt vorzugsweise das Werkstück während der Zuführung des Gasgemisches an die Elektrode nicht mit dem Gasgemisch in Kontakt, um eine Beeinflussung des Werkstücks durch die aktiven Gase zu vermeiden. Das Gasgemisch wird der Elektrode durch eine Zuführung, die gezielt auf die Elektrode gerichtet wird, zugeführt, sodass das Gasgemisch möglichst das Werkstück nicht erreicht. Bei oxidations- bzw. sauerstoffempfindlichen Werkstoffen Vorteilhafterweise wird das Gasgemisch mit einem Anteil von aktiven Gasen zugeführt, insbesondere mit einem Anteil von 1 bis 100 ppm, 100 bis 1000 ppm, 1000 bis 10000 ppm, 1 bis 5 %, 5 bis 10 %, 10 bis 15 % oder 15 bis 20 %. Vorzugsweise wird somit ein Gasgemisch mit einem vergleichsweise geringen Anteil von aktiven Gasen zugeführt. Als aktives bzw.
oxidierendes Gas wird bevorzugt Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch und/oder Kohlendioxid oder ein kohlendioxidhaltiges Gasgemisch verwendet. Durch diesen Anteil von aktiven Gasen kann insbesondere eine gezielte Oxidation der Oberfläche der Elektrode und/oder des Werkstücks erreicht werden. Das Initiieren des Lichtbogens ist insbesondere abhängig von der Oberfläche der Kathode und der Anode.
Vorzugsweise beträgt die Temperatur der Elektrode während der Zuführung bzw. Beaufschlagung des Gasgemisches 1000 bis 3000K, bevorzugt 1500 K bis 2500 K, sodass eine Bildung der Oxidationsschicht möglich ist. Bevorzugt wird die Temperatur der Elektrode während der Zuführung bzw. Beaufschlagung des Gasgemisches von wenigstens einem Sensor überwacht, um den Zeitpunkt der Zuführung, die Zeitdauer der Zuführung sowie die Dicke der Oxidationsschicht besser zu kontrollieren.
Vorzugsweise werden zum Schweißen oder Schneiden ein Schutzgas und/oder ein Plasmagas mit einem Anteil von Helium und/oder von Wasserstoff zugeführt. Der Anteil von Helium und/oder von Wasserstoff wird zum Initiieren des Lichtbogens vorzugsweise reduziert. Für das anschließende Schweißen oder Schneiden, nachdem der Lichtbogen gezündet wurde, wird der Anteil von Helium und/oder von Wasserstoff erhöht. Insbesondere wird während des Schweißens oder Schneidens ein
vergleichsweise hoher Anteil von Helium und/oder von Wasserstoff eingestellt, insbesondere ein Anteil von bis zu 100 % Helium bzw. bis zu 15 % Wasserstoff eingestellt. Beispielsweise werden 85 % Helium und 15 % Wasserstoff, 90 % Helium und 10 % Wasserstoff, oder 95% Helium und 5 % Wasserstoff eingestellt. Während des Initiierens des Lichtbogens wird insbesondere ein vergleichsweise geringer Anteil von Helium und/oder von Wasserstoff eingestellt, insbesondere ein Anteil von Null oder wenigen Prozent, wie z.B. 1 , 2, 3, 4 oder 5 %.
Zum Einstellen des Anteils von Helium und/oder von Wasserstoff können
beispielsweise zweckmäßige Ventile in einer Schutzgas- bzw. Plasmagasleitung vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine entsprechende Schutzgas- bzw. Plasmagaszufuhr eine geeignete Mischvorrichtung aufweisen. Durch Reduzieren des Anteils von Helium und/oder von Wasserstoff während des Initiierens des Lichtbogens wird insbesondere eine lonisationsspannung reduziert. Somit kann wiederum die nötige Zündspannung reduziert werden und Zündprobleme können vermieden werden.
Vorzugsweise werden die aktiven Gase mit dem Schutzgas zu der Elektrode zugeführt. Der Anteil der aktiven Gase im Schutzgas wird vorher beschrieben. Alternativ können die aktiven Gase separate zusätzlich zu der Elektrode zugeführt werden. In diesem Fall könnte technischer reiner Sauerstoff oder Kohlendioxid als aktive Gase verwendet werden.
Im Fall einer Verzögerung der Beaufschlagung des Gasgemisches wird vorzugsweide die Zeit der Verzögerung ausgeglichen. Eine solche Verzögerung könnte verursacht werden durch z.B. einen Schlauchpaket, über welchen das Gasgemisch zugeführt wird. Der Zeitpunkt der Zuführung bzw. Beaufschlagung des Gasgemisches soll unter Berücksichtigung der Verzögerung stattfinden, damit die Zuführung des Gasgemischs an die Elektrode zum Zeitpunkt des oben genannten Temperaturbereichs stattfindet und die Bildung der Oxidationsschicht kontrolliert werden kann. Vorzugsweise wird ein Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück reduziert, um eine Zündspannung zur Initiierung des Lichtbogens zu verringern. Durch die Verringerung der Zündspannung kann das Auftreten von starken elektromagnetischen Feldern reduziert werden. Es kann vermieden werden, dass hohe Zündspannungen unbeabsichtigt auf andere Bauteile überspringen. Somit können Störungen und Zerstörung von anderen Bauteilen und Peripheriegeräten vermieden werden. Durch das Vermeiden von Zündproblemen und Zündaussetzern kann beispielsweise eine Automatisierung des Schweiß- bzw. Schneidprozesses erheblich erleichtert und kostengünstig realisiert werden. Insbesondere kann eine Abstands- bzw. Höhenregelung mit den anderen
erfinderischen Aspekten kombiniert werden, mittels welcher der Abstand zwischen Elektrode und Werkstück gezielt verändert werden kann, auch während des Schweißbzw. Schneidprozesses. Insbesondere wird somit zum Initiieren des Lichtbogens ein anderer, geringerer Abstand zwischen Elektrode und Werkstück eingestellt, als während des anschließenden Schweiß- bzw. Schneidprozesses. Insbesondere kann auch eine Berührungszündung implementiert werden, bei welcher Elektrode und Werkstück zur Berührung gebracht werden, um den Lichtbogen zu initiieren. Der Abstand zwischen Elektrode und Werkstück wird zum Initiieren des Lichtbogens somit insbesondere auf ein Minimum reduziert, insbesondere auf null.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Elektrode des
Brenners als Anode bestromt und das zu bearbeitenden Werkstück wird als Kathode bestromt (sog. Pluspoltechnik). Wie eingangs erläutert, ergeben sich bei der dieser Polung von Elektrode und Werkstück Nachteile und Probleme im Vergleich zu einer umgekehrten Polung der Elektrode als Kathode und des Werkstücks als Anode. Diese Nachteile und Probleme können durch das Initiieren des Lichtbogens gemäß Erfindung vermieden werden. Beim herkömmlichen Schweißen oder Schneiden mit einer als Anode bestromten Elektrode ergeben sich oftmals hohe Zündspannungen und es können Zündprobleme auftreten. Durch die Erfindung kann das Schweißen oder Schneiden mit einer als Anode bestromten Elektrode verbessert und vereinfacht werden.
Mit der Polung der Elektrode als Anode und des Werkstücks als Kathode wird insbesondere ein Schweißen oder Schneiden, insbesondere ein Wolfram- Inertgasschweißen oder Plasmaschweißen von Aluminium, Aluminiumlegierungen, Bronze oder weiteren Werkstoffen, die hochschmelzende Oxide bilden, durchgeführt. Wie eingangs erläutert, kann dann durch die aus dem Werkstück austretenden Elektronen eine Oxidschicht, welche sich auf dem Werkstück bildet, aufgelöst werden, wodurch eine Reinigungswirkung erzielt wird.
Die Ladungsträgerdichte in der Zündstrecke wird vorzugsweise durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen erhöht: Die Elektrode und/oder das Werkstück werden bevorzugt mit hochenergetischer Strahlung bestrahlt, insbesondere mit einer Laserstrahlung. Die Elektrode und/oder das Werkstück bzw. das die beiden Elektroden umgebende Gas werden bevorzugt durch eine Heizspule und/oder einen externen Metalldampf erwärmt. Bevorzugt wird ein nicht übertragener Lichtbogen gezündet. Die Elektrode und/oder das Werkstück werden bevorzugt temperiert. Ein Werkstoff der Elektrode und/oder des Werkstücks wird bevorzugt verdampft.
Dieser nicht übertragene Lichtbogen wird insbesondere zwischen dem Werkstück und einer weiteren insbesondere nicht abschmelzenden Elektrode oder zwischen zwei Elektroden, welche nicht zwingend für den Schweißprozess verwendet werden müssen, gezündet. Elektrode bzw. Werkstück können jeweils insbesondere durch eine zusätzliche Stromquelle temperiert werden, welche mit der Elektrode bzw. dem
Werkstück elektrisch verbunden wird. Durch eine ausreichend hohe Temperierung von Elektrode bzw. Werkstück kann der entsprechende Werkstoff der Elektrode bzw. des Werkstücks verdampft werden. Die Ladungsträgerdichte in der Zündstrecke wird somit insbesondere durch eine oder mehrere von dem Lichtbogen unabhängige, zusätzliche Quellen erhöht. Für diese unabhängigen Quellen kann insbesondere jeweils eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise ein Laser, die Heizspule, die weitere insbesondere nicht abschmelzende Elektrode oder die zusätzliche Stromquelle. Diese entsprechende Vorrichtung kann in den Brenner zum Schweißen oder Schneiden selbst integriert werden oder auch zusätzlich an diesem angebracht werden (Add-On), beispielsweise an einer Seite des Brenners.
Vorzugsweise wird die Rauigkeit des Werkstückes erhöht, indem eine Erhöhung und/oder eine Vertiefung auf dem Werkstück angebracht werden, um die elektrische Feldstärke zu erhöhen und somit das Initiieren des Lichtbogens erleichtert wird. Die elektrische Feldstärke wird nicht nur durch hohe Spannung oder schnelle
Polarisationswechsel beeinflusst sondern vielmehr durch die
Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Rauigkeit. Eine Erhöhung der Rauigkeit wird auf mikroskopischer Ebene durch Zünd-Pin und auf makroskopische Ebener durch Anrauen realisiert.
Vorteilhafterweise wird ein Zünd-Pin in das Werkstück eingebracht. Dieser Zünd-Pin kann beispielsweise durch eine Bohrung in dem Werkstück eingebracht und fixiert werden. Zum Zeitpunkt der Zündung befindet sich der Zünd-Pin in der
Lichtbogenachse. Der Lichtbogen setzt insbesondere an diesem Zünd-Pin an dem Werkstück an. Durch diesen Zünd-Pin wird insbesondere der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück reduziert. Weiterhin wird insbesondere die elektrische Feldstärke durch den Zünd-Pin erhöht. Dieser Zünd-Pin wird insbesondere aus dem gleichen Material wie das Werkstück ausgebildet.
Wenn das Werkstück vorzugsweise als Kathode bestromt wird (Pluspoltechnik), wird die Kathodenfläche durch Verwendung dieses Zünd-Pins insbesondere stark verkleinert. Eine Feldverzerrung und insbesondere die elektrische Feldstärke an dem Werkstück bzw. in einem Bereich des Pins werden somit mit Hilfe des Zünd-Pins erhöht. Elektronen können leichter aus der Kathode herausgelöst werden. Zudem kann der Zünd-Pin beim Initiieren des Lichtbogens zumindest teilweise verdampfen, wodurch zusätzliche Ladungsträger zur Verfügung stehen. Somit wird durch den Zünd- Pin die Ladungsträgerdichte in der Zündstrecke zwischen Elektrode und Werkstück erhöht. Durch den Zünd-Pin kann das Initiieren des Lichtbogens erheblich verbessert werden.
Beispielsweise beim Plasmaschweißen bietet die Verwendung eines derartigen Zünd- Pins den Vorteil, dass nur noch eine Stromquelle notwendig ist. Insbesondere kann bei Verwendung des Zünd-Pins beim Plasmaschweißen auf einen Hilfslichtbogen und somit auf eine zusätzliche Stromquelle für diesen Hilfslichtbogen verzichtet werden, um den Lichtbogen zu initiieren. Komplexität und Kosten beim Plasmaschweißen können somit reduziert werden. Vorzugsweise wird ein stabförmiger und/oder zylindrischer Körper als Zünd-Pin in das Werkstück eingebracht. Insbesondere ist der Zünd-Pin aus dem Material des
Werkstücks oder des Zusatzwerkstoffs gefertigt. Durch den Lichtbogen wird der Zünd- Pin insbesondere aufgeschmolzen, wodurch das Material des Zünd-Pins in das Schmelzbad übergeht.
Wie eingangs erläutert, werden für das Schweißen oder Schneiden von Werkstoffen, die hochschmelzende Oxide bilden, insbesondere von Aluminium,
Aluminiumlegierungen oder Bronze, die Elektrode des Brenners als Anode und das Werkstück als Kathode bestromt (Pluspoltechnik). Beim derartigen Schweißen oder Schneiden kann es bei Zufuhr von heliumhaltigen oder wasserstoffhaltigen
Schutzgasen oftmals zu hohen Zündspannungen und zu Zündproblemen kommen. Durch das vorteilhafte Reduzieren des Anteils von Wasserstoff und/oder Helium können diese Nachteile jedoch vermieden werden. Somit wird es ermöglicht, dass Gase bzw. Gasgemische, welche beim Schweißen oder Schneiden von Werkstoffen, die keine hochschmelzende Oxide bilden, vorteilhafte Eigenschaften besitzen, auch für Werkstoffe verwendet werden können, die hochschmelzende Oxide bilden.
Bevorzugt wird zur Initiierung des Lichtbogens ein Hilfslichtbogen zwischen der Elektrode und einem Bauteil des Brenners gezündet. Insbesondere wird der
Hilfslichtbogen zwischen der Elektrode und einer Plasma- und/oder Schutzgasdüse als Bauteil des Brenners gezündet. Der Hilfslichtbogen ist insbesondere ein nicht übertragener Lichtbogen. Durch den Hilfslichtbogen wird insbesondere ein
Hilfslichtbogenplasma erzeugt. Durch den Hilfslichtbogen wird die Ladungsträgerdichte in der Zündstrecke zwischen Elektrode und Werkstück erhöht.
Vorzugsweise wird bei der Pluspoltechnik zunächst dieses Bauteil des Brenners als Anode und die Elektrode des Brenners als Kathode bestromt. Der Hilfslichtbogen wird gezündet und brennt zwischen dem als Anode bestromten Brennerbauteil und der als Kathode bestromten Elektrode. Durch die Bestromung des Bauteils als Anode und der Elektrode als Kathode kann der Hilfslichtbogen stabil zwischen Bauteil und Elektrode brennen. Nach einem vordefinierten Zeitintervall wird der Hilfslichtbogen abgeschaltet und der Lichtbogen (bzw. Hauptlichtbogen) wird gezündet. Der Hilfslichtbogen kann dabei zeitgleich mit der Zündung des Lichtbogens abgeschaltet werden oder der Hilfslichtbogen kann in einem vorbestimmten Zeitabstand (beispielsweise 0,1 ms, 1 ms, 10 ms,) vor Zündung des Lichtbogens abgeschaltet werden. Dieser
vorbestimmte Zeitabstand ist dabei insbesondere geringer, als eine Abklingzeit des Hilfslichtbogenplasmas, damit die Zündstrecke bis zur Initiierung des Lichtbogens ausreichend ionisiert bleibt. Zudem wird ausgenutzt, dass die brennerseitige Elektrode durch den Hilfslichtbogen vorgeheizt wird und dadurch beim Zünden des
Hauptlichtbogens sehr viel einfacher Elektronen emittiert.
Wie eingangs erläutert, ist der Einsatz eines Hilfslichtbogens herkömmlicherweise, wenn die Elektrode des Brenners als Anode bestromt wird, nicht möglich. Durch die bevorzugte Bestromung des Bauteils als Anode und der Elektrode als Kathode zum Zünden und Brennen des Hilfslichtbogens und durch die anschließende Umpolung zur Initiierung des Lichtbogens kann der Einsatz eines Hilfslichtbogens auch bei
Verwendung der Pluspoltechnik ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung wird zum Zünden des Hilfslichtbogens zwischen der Elektrode und dem Bauteil ein Kathodenmaterial in das Bauteil des Brenners eingebracht, an welchem der Hilfslichtbogen ansetzt. Die Elektrode wird dabei bevorzugt als Anode bestromt und das Bauteil als Kathode. Wie eingangs erläutert, bieten Bauteile des Brenners, wie beispielsweise Plasma- und/oder
Schutzgasdüsen, schlechte Austrittsbedingungen, wodurch die Initiierung eines stabilen Hilfslichtbogens bei Bestromung des Bauteils als Kathode zumeist nicht möglich ist. Durch das bevorzugte Einbringen des Kathodenmaterials in das Bauteil wird ein Zünden und stabiles Brennen des Hilfslichtbogens dennoch ermöglicht. Der Hilfslichtbogen wird zwischen der als Anode bestromten Elektrode und dem als Kathode bestromten Bauteil gezündet und brennt zwischen diesen. Das
Kathodenmaterial wird dabei derart in das Bauteil eingebracht, dass der Hilfslichtbogen stabil an diesem Kathodenmaterial und somit stabil an dem Bauteil ansetzen kann.
Insbesondere wird dotiertes Wolfram als Kathodenmaterial in das Bauteil eingebracht. Das Kathodenmaterial kann beispielsweise in Form eines Einsatzes in das Bauteil eingebracht werden. Dieser Einsatz kann beispielsweise mechanisch in das Bauteil gesteckt und wieder aus diesem entfernt werden. Das Kathodenmaterial kann auch fest mit dem Bauteil verbunden sein. Beispielsweise kann das Kathodenmaterial im Zuge eines Herstellungsprozesses des Bauteils gesintert oder gegossen werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Schweißen oder Schneiden mittels eines Lichtbogens,
insbesondere zum Wolfram-Inertgasschweißen oder zum Plasmaschweißen, wobei der Lichtbogen zwischen einer Elektrode eines Brenners und einem zu bearbeitenden Werkstück initiiert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrode des Brenners mit einem Gasgemisch für eine Dauer von 1 bis 30 Sekunde beaufschlagt wird, wodurch eine Oxidationsschicht auf die Elektrode des Brenners gebildet wird, wobei das Gasgemisch einen Anteil von aktiven Gasen enthält,
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode des Brenners mit dem Gasgemisch beim und/oder nach dem Abschalten des
Lichtbogens beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des Gasgemisches innerhalb 10 Sekunde, vorzugsweise innerhalb 2 Sekunde ab dem Abschalten des Lichtbogens beginnt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode des Brenners mit dem Gasgemisch am Anfang des Schweiß- oder Schneidprozesses beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Beaufschlagung des Gasgemisches auf die Elektrode des Brenners der Werkstück nicht mit dem Gasgemisch in Kontakt kommt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der aktiven Gasen 1 bis 100 ppm, 100 bis 1000 ppm, 1000 bis 10000 ppm, 1 bis 5 vol. %, 5 bis 10 vol. %, 10 bis 15vol. % oder 15 bis 20vol. % beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Gase Sauerstoff und/oder Kohlendioxid umfassen.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Gase über ein Schutzgas oder durch eine zusätzliche Zuführung an die Elektrode gebracht werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Anfang der Beaufschlagung des Gasgemisches die Temperatur der Elektrode des Brenners 100ΌΚ bis 3000K beträgt, insbesondere 1500K bis 2500K beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Elektrode während der Beaufschlagung des
Gasgemisches von wenigstens einem Sensor überwacht wird. 11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schweißen oder Schneiden ein Schutzgas und/oder ein Plasmagas mit einem Anteil von Helium und/oder von Wasserstoff zugeführt werden und wobei der Anteil von Helium und/oder von Wasserstoff zur Initiierung des Lichtbogens reduziert bzw. durch ein leichter zu ionisierendes Gas wie z.B. Argon ersetzt wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Verzögerung der Beaufschlagung des Gasgemisches die Zeit der Verzögerung ausgeglichen wird.
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