-
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.