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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen 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.
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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.
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Beim
Schmelzschweißen
wird üblicherweise mit örtlich begrenztem
Schmelzfluss ohne Anwendung von Kraft geschweißt.
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Das
Verbinden der Bauteile erfolgt bei den bekannten Verfahren in der
Regel in einer Schweißnaht
oder in einem Schweißpunkt.
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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.
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Unter
den Schutzgasschweißverfahren nimmt
das Plasmaschweißen
eine besondere Stellung ein. Das Plasmaschweißen ist mit einer höheren Energiekonzentration
verbunden als viele der Konkurrenzverfahren.
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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 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. ä. mit Schwierigkeiten verbunden,
insbesondere beim Plasma-Stichlochschweißen von
Baustahl.
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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.
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Verfahrensseitig
wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein Gasvolumenstrom
während
des Schweißvorgangs
mehrmals zeitlich verändert
wird, wodurch ein zeitlich sich verändernder Staudruck auf die
Schmelze ausgeübt
wird und dadurch die Schmelze in Schwingung versetzt wird.
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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.
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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.
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Mit
besonderem Vorteil wird über
den Plasmabrenner zusätzlich
ein Fokussiergas zugeführt, durch
das das Plasmagas weiter eingeschnürt wird, wobei das Plasmagas
und das Fokussiergas von Schutzgas umhüllt werden.
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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.
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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.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom
und der Fokussiergasvolumenstrom synchron zueinander zeitlich verändert.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom
und der Fokussiergasvolumenstrom zueinander phasenverschoben zeitlich
verändert
werden.
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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.
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Beim
Schweißen
mit Impusstrom werden der Plasmagasvolumenstrom und/oder der Fokussiergasvolumenstrom
bevorzugt synchron zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom
und/oder der Fokussiergasvolumenstrom zum Impulsstromverlauf phasenverschoben
zeitlich verändert.
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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.
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Beispielsweise
wird die Zusammensetzung des Schutzgases während des Schweißvorgangs mehrmals
zeitlich verändert.
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Bevorzugt
wird die Zusammensetzung des Plasmagases und des Fokussiergases
synchron zueinander zeitlich verändert
wird.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Zusammensetzung des
Plasmagases und des Fokussiergases zueinander phasenverschoben zeitlich
verändert.
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Besonders
bevorzugt wird die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des
Fokussiergases synchron zur Änderung
der Zusammensetzung des Schutzgases zeitlich verändert.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zusammensetzung
des Plasmagases und/oder die Zusammensetzung des Fokussiergases
synchron zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.
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Gemäß einer
anderen günstigen
Ausgestaltung der Erfindung werden die Zusammensetzung des Plasmagases
und/oder die Zusammensetzung des Fokussiergases zum Impulsstromverlauf
phasenverschoben zeitlich verändert.
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Zweckmäßigerweise
wird die zeitliche Veränderung
des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung zumindest zum Teil
durch ein Rechteckprofil dargestellt.
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Mit
besonderem Vorteil verläuft
die zeitliche Veränderung
des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung nach einem modifizierten
Rechteckprofil, das abgeschrägte
Schultern aufweist.
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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.
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Durch
geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen
kann der Schweißprozess
mit besonderem Vorteil aufgabenspezifisch optimiert werden.
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Zum
Beispiel kann mit besonderem Vorteil einem niederfrequenten Impuls
des Gasvolumenstroms des Plasma- und/oder des Fokussiergases (z. B.
1–100
Hz) in der Hochphase oder in der Niedrigphase ein hochfrequentes
Pusieren des Plasma- und/oder
des Fokussiergases (100–8000
Hz) überlagert
werden.
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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.
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Die
Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im
Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im
Einzelnen zeigen die Figuren
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1 ein
Beispiel für
eine jeweils phasenverschobene zeitliche Änderung des Plasmagasvolumenstroms
und des Fokussiergasvolumenstroms bei einem gepulsten Schweißstrom,
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2 ein
Beispiel für
eine synchrone zeitliche Änderung
des Plasmagasvolumenstroms und des Fokussiergasvolumenstroms bei
einem gepulsten Schweißstrom.
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In
beiden 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.
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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.
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In
der 2 sind alle gezeigten Amplitudenänderungen
zueinander synchron.
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Die 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.