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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaschweißen,
bei dem mittels eines Schweißbrenners mit einer Plasmagaszuführung
ein Plasmalichtbogen erzeugt wird und der Plasmalichtbogen durch
einen über wenigstens eine Fokussiergaszuführung
zugeführten Fokussiergasstrom beeinflussbar ist und eine
entsprechende Vorrichtung.
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Plasmaschweißen
ist bekannt. Häufig kommen beim Plasmaschweißen
Vorrichtungen und Verfahren zum Einsatz, bei denen der durch einen Schweißbrenner
erzeugte Plasmalichtbogen mit einem kalten Gas (Fokussiergas) bespült
wird, um hierdurch zusätzlich zu der Plasmastrahl- bzw.
-lichtbogenfokussierung durch die typischerweise wassergekühlte,
einschnürende Plasmadüse eine Beeinflussung des
Plasmalichtbogens, insbesondere eine Fokussierung zur Erhöhung
seiner Leistungsdichte, zu erzielen.
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Der
Fokussierungseffekt kann dabei sowohl auf der rein mechanischen
Einschnürung und Kühlung durch den zusätzlichen
Gasstrom als auch auf gegebenenfalls gegenüber dem Plasmagas
unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Fokussiergases
(Enthalpie, Ionisationsenergie, Wärmeleitfähigkeit)
beruhen.
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Das
Plasmaschweißen von Blechen mit mehr als 2,5 mm Dicke erfolgt üblicherweise
unter Ausnutzung des ebenfalls bekannten Stichlocheffektes (dann
als Plasmastichlochschweißen bezeichnet), wobei in der
Regel besondere Anforderungen hinsichtlich der Schweißbedingungen und/oder
der Vorbereitung des Schweißgutes zu erfüllen
sind.
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Im
Rahmen herkömmlicher Verfahren zum Plasmaschweißen
tritt eine Reihe von Problemen auf, die im Folgenden diskutiert
werden. Die Ursachen der genannten Probleme sowie bisherige Lösungsansätze
sind beispielsweise in den nachfolgend aufgeführten Veröffentlichungen
[1] bis [3] und den dort angegebenen weiteren Nachweisen genannt:
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[1] D.
Böhme, "Plasmaverbindungsschweißen – ein
Hochleistungsverfahren zum Verbinden von Werkstücken aus
Baustahl", Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure,
1977, 229, 401–409; [2] P. Drews, D. Böhme, "Untersuchungen
zum Plasmaverbindungsschweißen von unlegierten und niedriglegierten
Baustählen", Industrieanzeiger, 1974, 3, 867–870;
[3] P. Drews, D. Böhme, "Plasmaverbindungsschweißen – Porenfreies
Schweißen von 4 bis 6 mm dicken Baustählen",
Industrieanzeiger, 1973, 76, 1776–1779.
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Insbesondere
beim Plasmaschweißen entstehen unter anderem aufgrund der
(gewünschten) hohen Leistungsdichte des eingeschnürten
Lichtbogens, der das Schmelzbad auf vergleichsweise kleinem Raum
stark überhitzt, im Stahl nichtlösliche Gase wie
Kohlenmonoxid. Insbesondere die hohe Wärmeleitfähigkeit
von unlegierten und niedrig legierten Stählen führt
zu einer schnellen Erstarrung des schmelzflüssigen Werkstoffes
und kann Übersättigungszustände und somit
eine Zwangslösung im Schweißgut herbeiführen.
Diese Vorgänge führen zur Ausbildung von Poren,
welche eine Abnahme des tragenden Querschnitts der Schweißverbindung
zur Folge haben und Ursache für Spannungskonzentrationen
in der Schweißnaht sein können. Ferner verursachen
Poren in Abhängigkeit von ihrer Ausbildungsform eine mehr
oder weniger starke Verminderung der Dauerschwingfestigkeit von
Bauteilen.
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Bei
Plasmabrennern für höhere Leistungsbereiche ist
eine Bereitstellung des Fokussiergases über Dreilochdüsen
gängig. Hierbei strömt ein Teil des Plasmagases
oberhalb des Lichtbogenansatzpunktes durch Bypassbohrungen an der
Unterseite der Plasmagasdüse aus und dient dort als Fokussiergas.
Wie in [1] bis [3] angegeben, ist auch bekannt, eine externe, von
der Plasmagasversorgung entkoppelte Zuführung des Fokussiergases
vorzunehmen. Dieses externe Fokussiergas kann über einen
Spalt, der die Plasmagasdüse konzentrisch umgibt, zugeführt
werden, so dass der Lichtbogen rotationssymmetrisch eingeschnürt
wird.
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Als
problematisch ist hierbei jedoch anzusehen, dass durch die hierdurch
bewirkte symmetrische Fokussierung des Lichtbogens zwar dessen Energiedichte
zunimmt, die Toleranzfähigkeit des Schweißprozesses
jedoch abnimmt. Zudem tritt bei stark eingeschnürten Lichtbögen
die Bildung von Einbrandkerben verstärkt auf.
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Zur
Bildung derartiger Einbrandkerben kommt es bei den hohen Schweißgeschwindigkeiten, wie
sie durch das Plasmaschweißen erzielbar sind, auch dann,
wenn eine Durchschweißung und eine gleichmäßige
Ausbildung der Schweißnaht (Wurzelausbildung) noch sichergestellt
werden kann. Auch dieser Effekt tritt verstärkt bei niedrig-
und unlegierten Stählen (mit geringer Oberflächenspannung)
auf und schränkt die maximale Schweißgeschwindigkeit
und somit die Wirtschaftlichkeit entsprechender Schweißverfahren
ein.
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Aus
Veröffentlichung [2] ist bekannt, mehrere Fokussiergasdüsen
in unterschiedlicher Anzahl, Geometrie und Ausrichtung in einer
in einem Schweißbrenner vorgesehenen Fokussiergaskappe
anzubringen. Beispielsweise kann durch halbkreisförmige
Düsen beiderseits der Plasmadüse eine elliptische
Verformung des Plasmalichtbogens bewirkt werden.
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Der
Plasmaschweißprozess ermöglicht aufgrund des eingeschnürten
Lichtbogens zwar schmale Schweißnähte, ist jedoch
deshalb gleichzeitig auch wenig tolerant hinsichtlich auftretender Änderungen in
der Breite des Schweißspaltes und des Kantenversatzes sowie
bezüglich der geometrischen Ausrichtung der Brennerachse
zum Schweißspalt. Diese Problematik tritt insbesondere
beim Plasma-Stichlochschweißen auf, bei dem für
die prozesssichere Ausbildung des Stichloches nochmals erhöhte
Anforderungen gelten. Es bedarf daher bei solchen Verfahren einer
mit hohem zeitlichem und finanziellem Aufwand verbundenen, exakten
Vorbereitung der Schweißkanten und Positionierung der Bauteile
sowie einer genauen Einhaltung der Schweißparameter.
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Bei
großen Spaltmaßen kann es bei entsprechenden Verfahren
zum Durchsacken des Schmelzbades oder zu starkem sogenannten Wurzeldurchhang
in Verbindung mit einer stark konkaven Nahtoberfläche kommen.
Wird die Breite des Spaltes zu gering, kann hingegen die Durchschweißung
gefährdet werden. Bei großen Kantenversätzen
können die Schweißkanten nicht gleichmäßig
aufgeschmolzen werden, so dass sogenannte Bindefehler entstehen. Befindet
sich die Achse des Schweißbrenners nicht mittig über
der Schweißfuge, bildet sich das Schmelzbad asymmetrisch
aus, so dass eine Kerbenbildung und zusätzlich Bindefehler
die Folge sein können.
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Eine
weitere Einschränkung des Plasmastichlochschweißens
stellt die Blechdicke dar. Um auch dickere Bauteile mit hohen Schweißgeschwindigkeiten
wirtschaftlich fügen zu können, muss der Energieeintrag über
eine Erhöhung des Schweißstromes gesteigert werden.
Um eine thermische Überlastung der Plasmagasdüse
zu vermeiden, muss in der Folge jedoch entweder die Bohrung der
Plasmagasdüse (auf Kosten der Energiedichte) vergrößert
oder der Elektrodenrückstand in der Düse verkürzt
werden. Der ursprünglich vorhandene Vorteil des konzentrierten
Energieeintrages des Plasmaschweißens nimmt damit ab.
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Wie
in den genannten Veröffentlichungen diskutiert, kommt es
ferner bei hohen Schweißströmen vermehrt zur Bildung
von Doppellichtbögen, die die Schweißdüse
zerstören und zu Schweißfehlern führen
können. Die Bildung von Doppellichtbögen kann
beispielsweise über ein Absinken des Schweißstroms
detektiert werden, wie in Veröffentlichung [2] angegeben.
Doppellichtbögen können durch eine Kühlung
der Düsenstirnseite vermieden werden.
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Aus
der Veröffentlichung [1] ist zur Qualitätskontrolle
und Gütesicherung eine Durchschweißregelung bekannt,
die auf Grundlage eines detektierten Durchdringungsstroms den Schweißstrom
durch Umschalten zwischen einer Grundstromphase und einer Impulsstromphase
regelt und hierdurch einen Einfluss auf die Schweißbedingungen
ausübt.
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Aus
der
EP 1 980 354 A1 und
der
WO 2008/125275
A1 ist ein Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen
unter Verwendung eines Plasmagases, eines Schutzgases und eines
optionalen Fokussiergases bekannt, bei dem die Zusammensetzung mindestens
eines dieser Gase während des Schweißvorgangs
mehrmals zeitlich verändert wird. Zusätzlich kann
auch der Gasvolumenstrom mehrmals zeitlich verändert werden.
Durch diese Maßnahmen kann ein zeitlich sich verändernder
Staudruck auf die Schmelze ausgeübt werden, wodurch die
Schmelze in Schwingung versetzt wird. Dies erhöht die Prozessstabilität
beim Zusammenfließen der Schmelze hinter dem Stichloch.
In einer Ausgestaltung werden die Zusammensetzungen des Plasmagases
und des Fokussiergases zueinander phasenverschoben (oder auch synchron
zueinander) verändert. Die Gaszusammensetzung bzw. der
Gasvolumenstrom eines betreffenden Gases wird in den Ausführungsbeispielen
in Form einer Rechteckfunktion in festgesetzten Intervallen geändert.
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Die
vorgenannten Maßnahmen zur Lösung der beim Plasmaschweißen
auftretenden Probleme haben sich in der Praxis, insbesondere beim
Schweißen von unlegierten oder niedrig legierten Baustählen
jedoch als nicht ausreichend und/oder als nicht hinreichend flexibel
erwiesen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren
und Vorrichtungen zum Plasmaschweißen zur Verfügung
zu stellen, durch die die Prozessstabilität und Handhabung
verbessert und/oder die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit
erhöht werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß wird
in einem Verfahren zum Plasmaschweißen, bei dem mittels
eines Schweißbrenners mit einer Plasmagaszuführung
ein Plasmalichtbogen erzeugt wird und der Plasmalichtbogen durch
einen über wenigstens eine Fokussiergaszuführung
zugeführten Fokussiergasstrom beeinflussbar (also beispielsweise
auslenkbar, ablenkbar, einschnürbar und/oder aufweitbar)
ist, der Fokussiergasstrom während des Schweißvorgangs
in Abhängigkeit von Randbedingungen des Schweißvorgangs verändert.
Hierdurch ist es insbesondere möglich, in situ durch eine Änderung
des Fokussiergases auf Änderungen der Randbedingungen zu
reagieren und den Schweißvorgang an die sich ändernden
Randbedingungen anzupassen. Dies kann beispielsweise in Form einer
geeigneten Regelung in einer Regeleinrichtung erfolgen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Anmeldung seien alle entsprechenden Verfahren,
bei denen ein Plasmastrahl oder Plasmalichtbogen als Wärmequelle
dient, als von dem Begriff ”Plasmaschweißen” umfasst
anzusehen. Insbesondere fallen hierunter das Plasmastichlochschweißen
(Schlüssellochschweißen) oder das Wärmeleitungsschweißen
(Durchdrücktechnik) und Verfahren der Mikroschweißtechnik
wie das Mikroplasmaschweißen.
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Wenn
im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von einer ”Fokussiergaszuführung” die
Rede ist, sind hierunter geeignete Düsen und Öffnungen
zu verstehen, die ein Fokussiergas zur Beeinflussung des Plasmalichtbogens
bereitstellen.
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Zweckmäßigerweise
werden als Randbedingungen Eigenschaften des Schweißguts,
wie seine Zusammensetzung, die Breite des Schweißspaltes, der
Kantenversatz und/oder die Materialstärke und/oder Änderungen
hiervon verwendet. Beispielsweise kann dabei etwa bei einer festgestellten Änderung
der Dicke des Schweißguts oder bei einer Aufweitung oder
Verengung des Schweißspaltes der Energieeintrag über
den Plasmalichtbogen je nach Bedarf erhöht oder abgesenkt
werden.
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Die
Randbedingungen werden während des Schweißvorgangs
gemessen oder vorab bestimmt und als Steuer- oder Regelgrößen
für die Änderung des Fokussiergases verwendet.
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Hierbei
kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Zusammensetzung, die
Durchflussmenge, die Durchflussgeschwindigkeit, die Ausströmposition, die
Strömungsrichtung und/oder die Geometrie des Fokussiergasstroms
zu verändern. Beispielsweise kann beim Auftreten von Doppellichtbögen
ein Einblasen von Fokussiergas auf die Düsenstirnseite
vorgenommen werden, um diese zu kühlen, oder es kann dem
Fokussiergas eine Komponente, wie beispielsweise Wasserstoff, beigegeben
werden.
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Vorteilhafterweise
wird in einem entsprechenden Verfahren zum gezielten Kühlen
und/oder zur chemischen Beeinflussung des Werkstücks eine Einstellung
der Wirkstelle und/oder -fläche des Fokussiergasstroms
vorgenommen, so dass die Schweißbedingungen gezielt an
das Werkstück angepasst werden können.
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Mit
besonderem Vorteil wird dabei durch den Fokussiergasstrom auch die
Geometrie des Plasmastrahls oder -lichtbogens verändert.
Unter der Querschnittsgeometrie des Plasmalichtbogens sei insbesondere
die geometrische Form eines Querschnitts durch den Plasmalichtbogens
quer zu der Längsachse des Plasmabrenners, also quer zu
der Strömungsrichtung des Plasmagases verstanden. Insbesondere
kann ein derartiger Querschnitt oval bzw. elliptisch oder kreisförmig
ausgebildet sein, wodurch sich eine nichtrotationssymmetrische oder
eine rotationssymmetrische Querschnittsgeometrie des Plasmalichtbogens
ergibt. Durch abwechselnd um 180° versetztes ovales Einschnüren
des Lichtbogens kann die Toleranzfähigkeit eines entsprechenden
Schweißverfahrens signifikant erhöht werden.
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Wie
zuvor erläutert begünstigt die rotationssymmetrische
Einschnürung eines Plasmalichtbogens die Bildung von Einbrandkerben.
Um solche Einbrandkerben zu vermeiden, kann eine Verbreiterung des
Lichtbogenkegels parallel zur Schweißrichtung vorgenommen
werden, welche etwa über das Einblasen von Fokussiergas
auf die Fugenflanken erzielt werden kann.
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Um
die Toleranzfähigkeit gegenüber Veränderungen
zu erhöhen, und damit den Aufwand in der Fugenvorbereitung und
-positionierung reduzieren zu können, ist jedoch umgekehrt
eine Aufweitung des Lichtbogenkegels senkrecht zur Schweißrichtung zweckdienlich.
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Mit
bestehenden Fokussiergassystemen kann jedoch momentan immer nur
eine der genannten Anforderungen erfüllt werden, wobei
dann die jeweils andere Problematik verstärkt wird. Vor
diesem Hintergrund bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Geometrie
des Plasmalichtbogens dynamisch (in situ) an die Anforderungen des
Schweißprozesses angepasst wird.
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Mit
besonderem Vorteil kann die Zusammensetzung des Fokussiergases verändert
werden. Durch Einsatz eines Fokussiergases, dessen chemische Zusammensetzung
von der des Plasmagases abweicht, und das eine verstärkte
Einschnürung des Lichtbogens hervorruft, können
die zuvor genannten Effekte weiter verstärkt werden. Ferner
kann durch Zugabe geeigneter Fokussiergasbestandteile auch eine
metallurgische Einflussnahme auf das Schweißgut ausgeübt
werden, falls dies sinnvoll ist. Eine Beimischung von Wasserstoff
zum Fokussiergas kann auch, wie bereits oben genannt, zu einer Absenkung der
Oberflächenspannung verwendet werden, wodurch die Entgasung
des Schweißbades erleichtert und die Bildung von Poren
vermindert wird.
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Zur
Erzielung dieser Vorteile kann in einem entsprechenden Verfahren,
bei dem wenigstens zwei Fokussiergaszuführungen in einer
zugehörigen Vorrichtung vorgesehen sind, über
einen ersten Zeitraum der Fokussiergasstrom über wenigstens
eine erste Fokussiergaszuführung oder erste Gruppe von Fokussiergaszuführungen
bereitgestellt werden und/oder der Fokussiergasstrom über
wenigstens einen weiteren Zeitraum über wenigstens eine
weitere Fokussiergaszuführung oder wenigstens eine weitere
Gruppe von Fokussiergaszuführungen bereitgestellt werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Veränderung des
Fokussiergasstroms kann ein ovaler Querschnitt, ein Pendeln und/oder
ein Pulsen des Plasmalichtbogens bewirkt werden. Dies kann insbesondere
in einer zeitgesteuerten Weise mit definierter Frequenz, Taktung
und/oder Amplitude erfolgen. Alternativ oder zusätzlich
kann auch ein rotierender Lichtbogen erzeugt werden, wodurch eine
größere Prozessstabilität und damit nochmals
verbesserte Schweißergebnisse erzielt werden können.
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Um
weitere Vorteile zu erzielen, kann der Fokussiergasstrom unabhängig
von der Plasmagaszuführung verändert werden. In
einigen herkömmlichen Brennerkonzepten ist im Gegensatz
dazu lediglich die Bereitstellung eines Gases vorgesehen, das dann über
eine Verzweigung sowohl als Fokussiergas als auch als Plasmagas
Verwendung findet. Vorteilhafterweise kann jedoch bei einer unabhängigen Veränderung
insbesondere die Zusammensetzung des Fokussiergasstroms verändert
werden, ohne das Plasmagas zu beeinflussen. Die Durchflussmengen durch
die Fokussiergasdüsen sind bei einer unabhängigen
Bereitstellung nicht mehr ausschließlich von den Druckverhältnissen
in und unterhalb des Düsensystems, der Geometrie der Plasmagasdüse,
den eingestellten Schweißparametern und der Plasmagasmenge
abhängig, so dass mit Vorteil auf unterschiedliche Anforderungen
im Schweißprozess reagiert werden kann. Es sei jedoch betont,
dass auch eine dem genannten Stand der Technik entsprechende, abhängige
Bereitstellung erfolgen kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Insbesondere
beim Plasmastichlochschweißen, bei dem, wie oben erläutert,
mittels des Schweißbrenners ein Stichlocheffekt bewirkt
wird, werden die genannten Verfahrensschritte als besonders vorteilhaft
angesehen. Da gerade das Plasmastichlochschweißen besonders
sensibel auf Änderungen in den Randbedingungen des Schweißvorgangs reagiert,
ist es durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
möglich, derartige Änderungen schnell und flexibel
auszugleichen und damit die allgemeine Stabilität des Schweißvorgangs
zu erhöhen. Somit kann insbesondere die Wirtschaftlichkeit
des Plasmastichlochschweißens verbessert sowie seine Anwendbarkeit
bei beispielsweise niedriglegierten Werkstücken ermöglicht
werden.
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Eine
Vorrichtung zum Plasmaschweißen, bei der mittels eines
Schweißbrenners mit einer Plasmagaszuführung ein
Plasmalichtbogen erzeugbar ist und der Plasmalichtbogen durch einen über
wenigstens eine Fokussiergaszuführung zuführbaren
Fokussiergasstrom beeinflussbar ist, und bei dem das Fokussiergas
(16) während des Schweißvorgangs in Abhängigkeit
von Randbedingungen des Schweißvorgangs veränderbar
ist, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Eine entsprechende
Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und seiner Ausgestaltungen eingerichtet. Bezüglich
der Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sei daher auf diese Verfahren ausdrücklich verwiesen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist Mittel zur
Veränderung des Fokussiergasstrom während des
Schweißvorgangs in Abhängigkeit von Randbedingungen
des Schweißvorgangs auf. Die genannten Mittel weisen vorteilhafterweise
Mittel zur Feststellung etwaiger Änderungen von Randbedingungen
des Schweißvorgangs, wie Sensoren oder andere Messeinrichtungen,
auf. Alternativ können sich ändernde Randbedingungen
des Schweißvorgangs, die von vornherein bekannt sind und
während des Schweißvorgangs sich nicht weiter ändern,
vorab entsprechend gespeichert und als Regelgröße
zur Verfügung gestellt werden. Die verschiedenen möglichen
Randbedingungen sind beispielhaft im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren weiter oben genannt und näher erläutert.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung weist wenigstens
eine als eine wahlfrei mit Fokussiergas beaufschlagbare Fokussiergasdüse
ausgebildete Fokussiergaszuführung auf. Die wahlfreie Beaufschlagung
kann dabei unter Verwendung entsprechender Pumpen, Ventile und/oder Mischeinrichtungen
erfolgen, die insbesondere auch gruppenweise ansteuerbar sein können.
Durch Verwendung von Düsen mit unterschiedlicher Ausströmposition
und/oder Orientierung kann die Anströmrichtung des Fokussiergases
in Bezug auf den Lichtbogen verändert sowie hierdurch das
Werkstück an bestimmten Stellen (Wirkstellen) gekühlt
und chemisch beeinflusst werden.
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Ist
wenigstens eine Fokussiergaszuführung seitlich der Plasmagaszuführung
angeordnet, sind zwei Fokussiergaszuführungen beidseitig
der Plasmagaszuführung angeordnet, oder sind mehrere Fokussiergaszuführungen
konzentrisch um die Plasmagaszuführung angeordnet, kann
hierdurch mit besonderem Vorteil Einfluss auf den Plasmalichtbogen
genommen werden. So kann etwa durch eine seitlich der Plasmagaszuführung
angebrachte Zuführung eine Auslenkung des Plasmalichtbogen
bewirkt werden, durch beidseitig der Plasmagaszuführung
angeordnete Zuführungen kann eine nicht rotationssymmetrische
Strahlgeometrie bereitgestellt werden, und durch eine konzentrische
Anordnung ist es möglich, eine Strahleinschnürung
vorzunehmen.
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Insbesondere
können hierbei vorteilhafterweise Gruppen von jeweils gegenüberliegenden
Fokussiergaszuführungen abwechselnd mit Fokussiergas beaufschlagbar
sein. Hierbei kann beispielsweise eine örtlich abwechselnde
Zuführung von Fokussiergas auf die Schweißnahtflanken
vorgenommen werden, um hierdurch ein Pendeln des Lichtbogens zu
erzielen und so die Toleranzfähigkeit zu verbessern und
gleichzeitig das Auftreten von Einbrandkerben zu vermeiden. Ferner
kann auch vorgesehen sein, dass der Lichtbogen des Schweißbrenners
zunächst oval in Schweißrichtung (durch Einblasen
von Fokussiergas auf die Schweißnahtflanken), und später
oval senkrecht zur Schweißrichtung (durch um 90° versetztes
Einblasen von Fokussiergas) eingeschnürt wird. Hierdurch
lassen sich dann gleichzeitig Einbrandkerben vermeiden und eine
besonders starke Erhöhung der Toleranzfähigkeit
erzielen, ohne den Energieeintrag, und damit den Tiefschweißeffekt zu
reduzieren.
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Eine
Vorrichtung, bei der wenigstens eine Fokussiergaszuführung
in dem Schweißbrenner angeordnet ist und/oder bei der wenigstens
eine Fokussiergaszuführung außerhalb des Schweißbrenners angeordnet
ist, kann mit besonderem Vorteil verwendet werden. Hierdurch kann
beispielsweise ein herkömmlicher Brenner mit integrierten
Fokussiergasdüsen verwendet werden und zusätzlich
beispielsweise durch eine externe Einrichtung seitlich Fokussiergas eingeblasen
werden. Hierdurch kann beispielsweise eine seitliche Strahlauslenkung
bewirkt werden.
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Ferner
kann durch eine geeignete Anordnung der Fokussiergaszuführung
das Fokussiergas mit nur geringem Aufwand für die Modifizierung
und gegebenenfalls ohne eine Änderung des Brenneraufbaus
zugeführt werden. Vorteilhafterweise wird die Durchflussmenge
des Fokussiergasstromes dabei durch entsprechende Sensoren überwacht
und kann entsprechend den Anforderungen des Schweißprozesses
in seiner chemischen Zusammensetzung und im Durchfluss variiert
werden.
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Eine
Nachrüstung vorhandener Brenner ist gegebenenfalls ebenso
möglich.
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Hierzu
kann es besonders vorteilhaft sein, eine Vorrichtung vorzusehen,
bei der wenigstens eine Fokussiergaszuführung beweglich
angeordnet ist. Durch eine derartige Fokussiergasdüse,
im Regelfall mittels mehrerer derartiger Düsen, kann wenigstens
ein von der Richtung des Plasmagasstroms unabhängiger,
veränderbarer Fokussiergasstrom bereitgestellt werden.
Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Ausströmpositon
und die Anströmrichtung des Fokussiergases in Bezug auf
den Lichtbogen und somit dessen Wirkstelle zu verändern.
Ferner kann die Position der Austrittsöffnung der Fokussiergaszuführungen
und ihre Strömungsorientierung verändert werden,
was bei den zuvor erläuterten herkömmlichen Schweißbrennerkonzepten
nicht oder nur in engen Toleranzen vorgesehen ist. Das Fokussiergas
kann dabei durch entsprechende Kapillaren oder Düsen zugeführt
werden. Diese können über entsprechende Halterungen
variabel im Raum verstellbar angeordnet sein. Auch kann sich ein
drehbar angebrachter Düsensatz als vorteilhaft erweisen.
Es kann ferner auch vorgesehen sein, die Durchflussgeschwindigkeit
der einzelnen Düsen sowie den jeweilige Druck unabhängig
voneinander zu steuern, oder diese in einem festen Verhältnis
zueinander vorzusehen.
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Durch
sämtliche der vorgenannten Maßnahmen kann in einem
derartigen Schweißbrenner eine Beeinflussung der Schmelzbadausbildung
durch Abkühlvorgänge und die Ausübung
von Druck auf die Schmelzbadoberfläche über den
Durchfluss, die Dimensionierung und die Wirkstelle des Fokussiergases
bewirkt werden.
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Die
mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielbaren
Vorteile bestehen unter anderem in der Reduzierung von kosten- und
zeitintensiven Schweißnahtvor- und nachbearbeitungsvorgängen, insbesondere
durch die Verbesserung der Toleranzfähigkeit der Schweißprozesse
bezüglich der Spaltüberbrückbarkeit und
des Kantenversatzes, durch die Reduktion von Einbrandkerben und
der gleichzeitigen Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit,
durch die Erhöhung der schweißbaren Blechdicke
und durch die Vermeidung von Doppellichtbögen. Ferner kann
der Schweißprozess durch eine variable Zusammensetzung
des Fokussiergases günstig beeinflusst 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 zeigt:
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1A eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen
gemäß dem Stand der Technik,
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1B eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen
gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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1C eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen
gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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2A eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen
gemäß dem Stand der Technik,
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2B eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen
gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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2C eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen
gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
Vorrichtung zum Plasmaschweißen gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei
Fokussiergaszuführungen als Teil des Schweißbrenners
vorgesehen sind, und
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4 eine
Vorrichtung zum Plasmaschweißen gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei
Fokussiergaszuführungen vorgesehen sind, die nicht Teil
des Schweißbrenners sind.
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In
den nachstehend erläuterten Figuren bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Elemente, wobei in diesem
Fall auf eine wiederholte Beschreibung der Übersichtlichkeit
halber verzichtet wurde.
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In 1A ist eine Vorrichtung für das
Plasmaschweißen gemäß dem Stand der Technik
dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Schweißbrenner auf,
der in der Figur in einer Unteransicht 10 und einer seitlichen
Ansicht 10' dargestellt ist. Der Schweißbrenner 10, 10' ist
auf ein Werkstück 15 ausgerichtet. Der Schweißbrenner
weist eine äußere Kontur 13 auf und besitzt
eine Plasmadüse 11. Innerhalb der Plasmadüse 11 ist
eine entsprechende Elektrode (nicht dargestellt) angeordnet. Über
die Plasmadüse 11 wird ein Plasmalichtbogen bereitgestellt, dessen
Kontur mit 14 bezeichnet ist und die in 1A in
der Unteransicht mit der Projektion der Kontur 13 des Schweißbrenners 10 zusammenfällt. Die
Ausgestaltung der 1A gemäß Stand
der Technik weist keine Fokussiergaszuführungen auf, so
dass keine weitere Einschnürung des Plasmalichtbogens durch
Fokussiergas selbst bewirkbar ist. Es versteht sich jedoch, dass
ein derartiger Brenner mit einer zusätzlichen, gegebenenfalls nachrüstbaren Fokussiergaszuführung
ausgestattet werden kann. Dies trifft auch für die nachstehend
erläuterten Ausgestaltungen zu.
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In 1B ist eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen
gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform sind
in dem Schweißbrenner 10, 10' Fokussiergaszuführungen 12 vorgesehen.
Die schraffiert dargestellte, rechte Fokussiergaszuführung 12 wird
mit Fokussiergas beaufschlagt, was durch den mit 16 bezeichneten
Pfeil veranschaulicht ist. Durch das ausströmende Fokussiergas 16 wird der
Plasmagasstrahl 14 seitlich eingeschnürt bzw. weggedrückt
und gleichzeitig zur entgegengesetzten Seite ausgelenkt, da die
nicht schraffiert dargestellte, linke Fokussiergaszuführung 12 kein
Fokussiergas erhält. Hierdurch ist einerseits eine Auslenkung
und andererseits eine asymmetrische Ausbildung des Plasmagasstrahls
erzielbar, durch die beispielsweise auf unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten
zweier zu fügender Bleche oder auf eine seitliche Abweichung im
Schweißnahtverlauf Rücksicht genommen werden kann.
Es kann auch vorgesehen sein, den Volumenstrom des Fokussiergases 16 zu ändern,
wodurch eine pendelnde Bewegung des Plasmalichtbogens bewirkt werden
kann.
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In 1C ist in Entsprechung zur 1B die Beschickung der anderen Fokussiergaszuführung 12 mit
Fokussiergas 16 dargestellt. Hierdurch wird eine Auslenkung
des Plasmalichtbogens 14 in die gegenüber der 1B entgegengesetzte Richtung bewirkt. Insbesondere
sei betont, dass im Rahmen einer Ausführungsform zwischen
den beiden Zuständen der 1B und 1C mit einer definierbaren Frequenz, und/oder
als Reaktion auf sich ändernde Schweißparameter
gewechselt werden kann, oder ein Pendeln des Lichtbogens erzielt
wird, so dass die Ausbildung der Geometrie des Plasmalichtbogens 14 in
besonders vorteilhafter Weise beeinflusst werden kann. Hierdurch
kann beispielsweise eine Abweichung in der Orientierung des Schweißbrenners
bezüglich der Schweißnaht ausgeglichen werden.
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2A zeigt, wie bereits in Bezug auf 1A beschrieben, eine Unteransicht eines Schweißbrenners 10 gemäß dem
Stand der Technik. Zu Details dieses Schweißbrenners sei
auf 1A verwiesen.
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In 2B ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, die vier Fokussiergaszuführungen 12 aufweist. Von
diesen Fokussiergaszuführungen 12 sind die horizontal
angeordneten Zuführungen, schraffiert dargestellt, mit
Fokussiergas beaufschlagt, so dass sich eine im Querschnitt ovale
Ausbildung des Plasmalichtbogens ergibt. Die jeweils nicht schraffiert
gezeichneten Fokussiergaszuführungen erhalten kein Fokussiergas.
Die Längsachse des Ovals sei parallel zu einer Schweißrichtung 17 angeordnet.
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In
Entsprechung hierzu zeigt 2C eine Beaufschlagung
der vertikal angeordneten Fokussiergaszuführungen 12,
so dass sich ein um 90° gedrehter, ovaler Querschnitt des
Plasmagasstrahls ergibt. In der 2C lässt
sich also ein Fokussiergasstrahl mit einer Querschnittslängsachse
senkrecht zur Schweißrichtung 17 ausbilden. Auch
hier kann im Rahmen einer Ausführungsform zwischen den
Zuständen der 2B und 2C, gegebenenfalls zusätzlich
zu einem Zustand, der der 2A entspricht (wobei
keine der Fokussiergasdüsen mit Fokussiergas beaufschlagt
wird), wechseln. Es kann auch beispielsweise eine Anordnung der
entsprechenden Fokussiergasdüsen in einer Fokussiergaskappe
vorgesehen sein, welche drehbar angebracht ist, so dass eine Rotation
des Plasmalichtbogenquerschnitts erzielbar ist.
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3 zeigt
eine Detailansicht eines Schweißbrenners 30 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Schweißbrenner 30,
der beispielsweise zur Ausführung der in den 1B, 1C, 2B und 2C dargestellten
Betriebsarten eingerichtet sein kann, weist in dem Brenner 30 verbaute
Fokussiergaszuführungen 12 auf. Diese Fokussiergaszuführungen 12 sind
unabhängig von dem Plasmagas 31 in einer Plasmagaszuführung
mit Fokussiergas 16 beaufschlagbar. Ferner sind in der 3 die
Schweißelektrode 32 und die Plasmagasströmung 31 dargestellt.
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4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung, bei der ein unveränderter,
herkömmlicher Schweißbrenner 40 zum Einsatz
kommen kann. Dieser Schweißbrenner 40 weist keine
integrierten Fokussiergaszuführungen 12 auf, oder
allenfalls herkömmliche Fokussiergaszuführungen
wie zuvor beschrieben. In dieser Ausgestaltung sind variable Fokussiergaszuführungen 41 vorgesehen,
die über Halterungen 42 an einer Halteeinrichtung
(nicht gezeigt) angebracht sein können. Über ein
Kapillaren- oder Düsensystem 43 wird Fokussiergas
zielgerichtet und in unterschiedlichen Einströmwinkeln
bereitgestellt, und auf Werkstück 15 bzw. die
sich ausbildende Schweißnaht, oder auch auf die Stirnseite
der Schweißdüse geblasen.
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Wenngleich
in den vorstehend beschriebenen Figuren jeweils eine bestimmte Anzahl
Fokussiergaszuführungen 12 gezeigt sind, versteht
sich, dass auch jede beliebige Anzahl vorgesehen sein kann, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können
auch zusätzliche, beispielsweise ringförmige,
konzentrisch die Plasmadüse umgebende Fokussiergaszuführungen 12 vorgesehen sein,
sofern dies zweckdienlich ist. Die Zuführungen 12 können
in jedem beliebigen Winkel eingerichtet und individuell, Paar- oder
gruppenweise wahlfrei beaufschlagbar ausgebildet sein.
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Die
Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und
zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es versteht
sich, dass in den dargestellten Figuren nur beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt sind. Daneben ist jede andere Ausführungsform
denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1980354
A1 [0017]
- - WO 2008/125275 A1 [0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - D. Böhme, ”Plasmaverbindungsschweißen – ein Hochleistungsverfahren
zum Verbinden von Werkstücken aus Baustahl”, Zeitschrift
des Vereins Deutscher Ingenieure, 1977, 229, 401–409 [0006]
- - P. Drews, D. Böhme, ”Untersuchungen zum Plasmaverbindungsschweißen
von unlegierten und niedriglegierten Baustählen”,
Industrieanzeiger, 1974, 3, 867–870 [0006]
- - P. Drews, D. Böhme, ”Plasmaverbindungsschweißen – Porenfreies
Schweißen von 4 bis 6 mm dicken Baustählen”,
Industrieanzeiger, 1973, 76, 1776–1779 [0006]
