DE1297435B - Verfahren zur thermischen Behandlung, insbesondere zum Schweissen, von Werkstuecken - Google Patents

Verfahren zur thermischen Behandlung, insbesondere zum Schweissen, von Werkstuecken

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DE1297435B
DE1297435B DEU10470A DEU0010470A DE1297435B DE 1297435 B DE1297435 B DE 1297435B DE U10470 A DEU10470 A DE U10470A DE U0010470 A DEU0010470 A DE U0010470A DE 1297435 B DE1297435 B DE 1297435B
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Union Carbide Corp
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Union Carbide Corp
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten oder Erwärmen eines Werkstückes mittels eines übertragenen Lichtbogens, der am Werkstück einen besonders stark eingeschnürten Querschnitt aufweist.
  • Elektrische Lichtbogen, die zusammen mit einem Gasstrom durch eine relativ enge Düse austreten, werden zum Schweißen, Schneiden und zu anderen Metallbearbeitungsverfahren verwendet. Hierbei fließt der Gasstrom in Richtung zum Werkstück, und es wird ein Lichtbogen extrem hoher Stromdichte zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück gebildet.
  • Obgleich übertragene Lichtbogen der oben beschriebenen Art seit langem zum Schweißen verwendet werden, konnte das Problem der Einbrandkerben, d. h. die Entstehung von Vertiefungen an den Kanten der Schweißnaht, bisher nicht gelöst werden.
  • Die Erfahrung hat gezeigt, daß Einbrandkerben unter anderem von den durch den Lichtbogen auf das Werkstück übertragenen Kräften hervorgerufen werden, die zumindest teilweise durch das Pulsieren des Lichtbogens entstehen. Bei den bekannten, unter Verwendung eines sich krinolinartig ausbreitenden Lichtbogens durchgeführten Verfahren treten diese Kräfte in ziemlich starkem Maße auf mit dem Ergebnis, daß sich auch entsprechend starke Einbrandkerben bilden. Bei den Schweißbedingungen, die das erforderliche Durchschweißen ermöglichen, wird die Schweißgeschwindigkeit durch die auftretenden Einbrandkerben bestimmt. Das heißt, daß man die Schweißgeschwindigkeit herabsetzen muß, um Einbrandkerben zu vermeiden bzw. um sie auf ein Mindestmaß zu beschränken.
  • Ein weiteres Problem besteht in der Herstellung schmaler Schweißraupen. Die Herstellung schmaler Schweißraupen verlangt nämlich die L7bertragung der Wärme auf das Werkstück in einem möglichst engbegrenzten Bereich. Dadurch ergibt sich ein geringeres Verziehen des Werkstückes und infolgedessen auch ein erheblicher Vorteil beim Schweißen.
  • Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren, bei dem ein übertragener Lichtbogenstrahl in einer derart eingeschnürten Form auf das Werkstück gelangt, wie es bei den bisher für den Erfiindungsgegenstand angewendeten Lichtbogen nicht der Fall war.
  • Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, den Gasstrom im Gegensatz zu der bisherigen Handhabung im wesentlichen in Richtung vom Werkstück zur Elektrode zu führen. Der Gasstrom wird dazu zweckmäßigerweise durch die Düse gesaugt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn dem Gasstrom bei seiner Bewegung durch die Düse eine Drehbewegung erteilt wird, so daß er spiralförmig durch die Düse fließt.
  • Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird es ermöglicht, eine besonders konzentrierte Erwärmung des Werkstückes und eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit zu erreichen, ohne daß Einbrandkerben auftreten. i In der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert, und zwar zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung zum Erzeugen eines sich ausbreitenden Lichtbogens, t F i g. 2 eine schematische Darstellung einer beispielsweisen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und F i g. 3 bis 10 photographische Aufnahmen des in den Beispielen 1 bis 5 beschriebenen Lichtbogens.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden an Hand eines Lichtbogenschweißverfahrens beschrieben. Die Erfindung kann aber auch mit Erfolg beim Schneiden und bei Lichtbogen zur Materialerhitzung verwendet werden.
  • Der in F i g. 1 dargestellte Brenner nach dem Stand der Technik besteht aus einer Stabelektrode 10 sowie einer wassergekühlten Elektrodendüse 12, die mit einer verhältnismäßig kleinen Austrittsöffnung 14 versehen ist. Zwischen der Elektrode 10 und dem Werkstück 13 wird der Lichtbogen 11 aufrechterhalten, indem man die Stromquelle 16 mit der Elektrode und dem Werkstück durch Leitungen 15 und 17 verbindet. Gezündet wird der Lichtbogen z. B. durch Kurzschließen der Elektroden mit Hilfe eines Kohlestabes oder durch Hochfrequenzentladung. Wechselstrom oder Gleichstrom mit negativer oder positiver Polung der Elektrode kann je nach Wunsch verwendet werden. Als Gas können sowohl Sauerstoff und Stickstoff od. dgl. als auch inerte Gase z. B. Argon und Helium benutzt werden.
  • Wie aus F i g. 1 ersichtlich, breitet sich bei diesem bekannten Brenner der Lichtbogen zum Werkstück hin aus. Dabei wirken erhebliche, durch das Pulsieren des Lichtbogens hervorgerufene Kräfte auf das Werkstück ein, wodurch die Schweißgeschwindigkeit ganz beträchtlich vermindert wird.
  • Der in F i g. 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Beispiel dargestellte Brenner weist eine Elektrode 20 in einer wassergekühlten Düse 22 auf, die mit einem verhältnismäßig engen Düsenkanal 24 versehen ist. Die zum Aufrechterhalten eines zwischen der Elektrode 20 und dem Werkstück 23 brennenden Lichtbogens erforderliche Energie wird durch die Stromquelle 26 zugeführt. In der Düse 22 ist ein Ringraum 30 vorgesehen, der mit der Einströmöffnung 32 in Verbindung steht. Dem Düsenkanal 24 ist an seinem oberen Ende eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pumpe zugeordnet. Das Gas strömt durch die Einströmöffnungen 32 in den Ringraum 30 und von dort in den Bereich zwischen Düse und Werkstück. Es wird dann durch die Pumpe nach oben durch den Düsenkanal 24 abgeführt. Die Strömungsrichtung des Gases durch den erfindungsgemäßen Brenner ist also gegenüber den bekannten Brennern umgekehrt. Durch diese Strömungsverhältnisse wird ein besonders eng eingeschnürter Lichtbogen am Werkstück erreicht und vor allem durch die Strömungsrichtung des Gases entgegen der Bewegungsrichtung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahles dessen kinetische Energie abgebremst, so daß keine Einbrandkerben mehr entstehen und die Schweißgeschwindigkeit wesentlich gesteigert werden kann. Außerdem wird durch den besonders eng eingeschnürten Lichtbogen eine hohe Wärmekonzentration erreicht, so daß die Schweißraupe schmaler gehalten werden kann.
  • Im Ringraum 30 kann auch eine Gaslinse 36 vorgesehen werden. Es ist außerdem möglich, den Ringkanal 30 durch eine Anzahl von Leitungen zu ersetzen, die mit Abstand vom Düsenkanal 24 angeordnet sind. Der erfindungsgemäße Brenner kann - wie die bekannten Brenner - mit verschiedenen Strom- und Gasarten betrieben werden.
  • Die folgenden unter Verwendung von Brennern gemäß den Zeichnungen durchgeführten Beispiele dienen zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Beispiel l Gleichstrom mit negativer Elektrodenpolung und Verwendung eines inerten Gases Zwischen einer etwa 3 mm dicken, als Kathode geschalteten Wolframelektrode und dem als Anode geschalteten Werkstück wird ein Lichtbogen von 100 A und 30 V gezündet. Die Elektrode ist von einer Düse mit einem Durchmesser von etwa 4,8 mm umgeben und mit einem Abstand von etwa 2,4 mm vom Werkstück angeordnet. Zunächst läßt man etwa 0,57 m3/h Argon nach unten um die Elektrode herum und durch die in F i g. 1 gezeigte Düse ausströmen. Dabei erhält man den in F i g. 3 in etwa 5,6facher Vergrößerung gezeigten Lichtbogen. Dann wird der Gasstrom unterbrochen und die Bewegungsrichtung des in gleicher Menge strömenden Gases in der in F i g. 2 gezeigten Weise umgekehrt. Dabei erhält man den in F i g. 4 wiederum in etwa 5,6facher Vergrößerung dargestellten Lichtbogen.
  • Beispiel 2 Gleichstrom mit negativer Elektrodenpolung und Verwendung eines reaktionsfähigen Gases Man arbeitet unter den in Beispiel 1 angegebenen Bedingungen, aber unter Verwendung eines Lichtbogens von 90 A und 44 bis 48 V. Man läßt zunächst etwa 0,27 m3/h Stickstoffgas durch den Brenner gemäß F i g. 1 und anschließend etwa 0,73 m3/h des gleichen Gases durch den Brenner gemäß F i g. 2 strömen. Dabei erhält man die in F i g. 5 und 6 in etwa 6,8facher Vergrößerung dargestellten Lichtbogen bei normaler bzw. umgekehrter Gasströmungsrichtung.
  • Beispiel 3 Gleichstrom mit positiver Elektrodenpolung und Argon-Sauerstoff-Gemisch In diesem Beispiel befindet sich die etwa 4,8 mm weite Düse gemäß Beispiel 1 in einem Abstand von etwa 1,6 mm vom Werkstück, wobei die zentral angeordnete Elektrode an ihrem Ende bündig mit der Außenfläche der Brennerdüse abschneidet. Die wassergekühlte Kupferelektrode ist an ihrem Ende nicht zugespitzt, sondern abgeflacht. Zwischen der als Anode dienenden zentralen Elektrode und dem als Kathode geschalteten Werkstück wird ein Lichtbogen (70 A, 36 bis 41 V) erzeugt. Dann läßt man 0,94 m3/h Argongas mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 5 Volumprozent gemäß der in F i g. 2 dargestellten Weise durch den Brenner strömen. Dabei erhält man den in F i g. 7 in etwa 8facher Vergrößerung gezeigten Lichtbogen, der sich bei Unterbrechung des Gasstromes ausbreitet (s. F i g. 8, wiederum in etwa 8facher Vergrößerung).
  • Beispiel 4 Einphasenwechselstrom und Argon Die Vorrichtung ist im wesentlichen die gleiche wie in Beispiel 1. Zwischen der zentralen Elektrode und dem als weitere Elektrode dienenden Werkstück wird ein Lichtbogen (110A) gezündet. Das Werkstück ist dabei mit einem etwa 6,5 mm dicken, zugespitzten und nach der Mittelelektrode in der Düse ausgerichteten Wolframstück versehen, das zur Stabilisierung des Lichtbogens während des Arbeitens mit Wechselstrom dient. In der in F i g. 1 gezeigten Weise läßt man etwa 0,37 m3/h Argongas durch den Brenner strömen. Dabei erhält man den in F i g. 9 in etwa 5facher Vergrößerung gezeigten Lichtbogen. Der schwarz erscheinende Teil deF Lichtbogens stellt dabei das zum Stabilisieren deF Lichtbogens verwendete Wolframstück dar. Dann läßt man etwa 0,25 m3/h Argon in der in F i g. 2 gezeigten Weise durch den Brenner einströmen. Man erhält dabei den in F i g. 10 in etwa 5facher Vergrößerung dargestellten Lichtbogen.
  • Beispiel s Schweißen bei umgekehrter Gasströmungsrichtung Das Beispiel wurde unter Verwendung einer ähnlichen Vorrichtung wie in F i g. 1 durchgeführt. Zur Demonstration der Vorteile, die sich beim Schweißen bei umgekehrter Gasströmungsrichtung ergeben, wurden Versuchsschweißungen an rostfreien Stahlplatten (etwa [380. 210 - 3] mm) durchgeführt. Dabei wurde ein Lichtbogen (265 A, 26,5 bis 27 V) zwischen dem als Anode geschalteten Werkstück und der zentralen Elektrode erzeugt. Die Schweißgeschwindigkeit betrug etwa 51 cm/min. Dem Brenner wurde Argongas in einer Menge von etwa 0,14 m3/h in der in F i g. 1 gezeigten Weise zugeführt. Dabei erhält man eine breite Schweißraupe, die an ihren Rändern Einkerbungen aufweist. Daran anschließend wurde die Bewegungsrichtung des strömenden Gases umgekehrt, wobei man das Gas in einer Menge von etwa 0,42 m3/h zuführte. Bei einem Lichtbogen von 300 A und 20 bis 26 V sowie einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 51 cm/min erhält man eine Schweißraupe, die wesentlich schmaler ist und frei von Einkerbungen.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Werkstücken mittels eines zwischen einer Elektrode und dem Werkstück in einem Gasstrom gebildeten Lichtbogens, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Gasstrom im wesentlichen in Richtung von dem Werkstück zur Elektrode fließt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gasstrom durch eine die Elektrode umgebende Düse fließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch die Düse gesaugt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom spiralförmig durch die Düse bewegt wird.
  4. 4. Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Elektrode, die im Stromkreis mit dem Werkstück liegt und in einer Düse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse mit einer Saugeinrichtung verbunden ist.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmündung von Öffnungen umgeben ist, durch die das Gas in den Raum zwischen Düse und Werkstück gelangt.
DEU10470A 1963-02-04 1964-02-04 Verfahren zur thermischen Behandlung, insbesondere zum Schweissen, von Werkstuecken Pending DE1297435B (de)

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