DE2416732C2

DE2416732C2 - Vorrichtung zur Plasma-Bearbeitung von elektrisch leitenden Werkstoffen

Info

Publication number: DE2416732C2
Application number: DE2416732A
Authority: DE
Inventors: David Grigorievi&ccaron; Bychovsky; Aleksandr Ivanovi&ccaron; Leningrad Danilov
Original assignee: VSESOJUZNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ PROEKTNO-KONSTRUKTORSKIJ I TECHNOLOGICESKIJ INSTITUT ELEKTROSVAROCNOGO OBORUDOVANIJA LENINGRAD SU
Current assignee: VSESOJUZNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ PROEKTNO-KONSTRUKTORSKIJ I TECHNOLOGICESKIJ INSTITUT ELEKTROSVAROCNOGO OBORUDOVANIJA LENINGRAD SU
Priority date: 1974-05-02
Filing date: 1974-04-05
Publication date: 1982-05-06
Also published as: FR2269399B1; DE2416732A1; FR2269399A1

Description

Die Erfindt ""g betrifft eine Vorrichtung zur Plasma-Bearbeitung von elektrisch leitenden Werkstoffen, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Eine Vorrichtung dieser Art ist in der AT-PS 2 53 900 beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung besitzt einen Plasmabrenner, der eine Elektrode aufweist, die über eine Gteichspannungsqudle auf einem gegenüber dem zu behandelnden Werkstück negativen Potential gehalten wird und in ihrem Zentrum einen Einsatz enthält, der als Ausgangspunkt für einen Lichtbogen bestimmt ist, der zwischen der Elektrode des Plasmabrenners einerseits und dem zu behandelnden Werkstück andererseits brennt. Dabei durchsetzt dieser Lichtbogen eine zwischen der Stirnseite der Elektrode des Plasmabrenners und dem Werkstück angeordnete Düse, und er weist eine auf dsn Durchmesser dieser Düse bezogene Stromstärke zwischen 60 und 80 A/mm auf.

Eine sehr wesentliche Voraussetzung für die Erzielung einwandfreier Schweißergebnisse mit Hilfe einer Vorrichtung dieser Bauart ist, daß für die Ausbildung des Plasmalichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück nur die auf der !Stirnseite der Elektrode des Plasmabrenners vorgesehene Auflage aus schwer schmelzbarem Material wirksam wird, da nur dann eine hinreichende Verunreinigungsfreiheit der erhaltenen Schweißnähte sichergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sie diese Voraussetzung erfüllt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung, wie sie im Patentanspruch I gekennzeichnet ist; vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemiißen Ausbildung der Vorrichtung für die Plasma-Bearbeitung erstreckt sich der zur Bearbeitung verwendete Plasmalichtbogen mit Sicherheit nur über denjenigen Teil der Elektrodenslirnseite des Plasmabrenners, der mit der Auflage aus schwer schmelzbarem Material überdeckt ist, da die Düse des Plasmabrenners wegen der kleineren Bemessung des Durchmessers ihrer Bohrung zu einer entsprechenden Begrenzung des Querschnitts für den Lichtbogen führt. Für den Plasmalichtbogen wird daher nur das Material der Auflage auf der Elektrode des Plasmabrenners wirksam, so daß sich in dem Plasma keinerlei

ίο Metalldämpfe ausbilden können, die in unerwünschter Weise auf die Werkstückoberfläche oder auf daran auszuführende Schweißnähte einwirken könnten.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren einziger Figur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist. Dabei zeigt die Darstellung in der Zeichnung eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung in einem axialen Längsschnitt zusammen mit einer blockschaltbildmäßigen Wiedergabe der zugehörigen Speiseschaltung.

In der Zeichnung ist eine nicht abschmelzende Elektrode 1 eines Plasmabrenners 5 mit einer ihre gesamte Stirnseite überdeckenden Auflage 2 aus einem schwer schmelzbaren Metall wie Wolfram versehen.

Diese Elektrode 1 ist mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle 3 verbunden, an deren negativem Pol ein zu behandelndes Werkstück 4 aus elektrisch leitendem Werkstoff angeschlossen ist

Der Plasmabrenner 5 weist weiter eine Hauptdüse 6 mit einer zentralen Bohrung 8 auf, die elektrisch gegenüber der Elektrode 1 durch eine Isolierbuchse 7 isoliert ist. Die zentrale Bohrung 8 der Düse 6 bewirkt im praktischen Betrieb eine Einschnürung des zwischen der Elektrode 1 und dem Werkstück 4 brennenden Lichtbogens, wobei der Durchmesser der Bohrung 8 im Vergleich zu dem der Auflage 2 auf der Stirnseite der Elektrode 1 so bemessen ist, daß der Lichtbogen sich nicht über die Auflage 2 hinaus erstreckt.

Elektrisch liegt zwischen der Düse 6 und dem negativen Pol der Gle;chspa\..iungsquelle 3 eine Reihenschaltung aus einem Kippschalter 9, einem Widerstand 10 und einer Hochspannungsentladungseinrichtung 11, die als Zündeinrichtung für einen Hilfslichtbogen dient, der seinerseits zur Erzeugung des zur Bearbeitung des Werkstücks 4 verwendeten Lichtbogens verwendet wird, der in der Zeichnung als ein Hauptlichtbogen 20 dargestellt ist, der zwischen der Elektrode 1 bzw. deren Auflage 2 und dem Werkstück 4 durch die Düse 6 hindurch brennt.

Weiter ist am Plasmabrenners ein Einlaßstutzen 12 für die Zuführung von Plasmagas vorgesehen, während weitere Einlaßstutzen 13 und 14 der Zuführung und Auslaßstutzen 15 und 16 der Abführung von Kühlmittel dienen. Über einen weiteren Einlaß.stutzen 17 kann bei Bedarf ein zusätzliches Schutzgas wie beispielsweise ein Inertgas zugeführt werden, das dann über einen von einer Zusatzdüse 19 umschlossenen Hohlraum 18 rund um die Hauptdüse 6 in Richtung auf das Werkstück 4 ausströmt.

Im Betriebe der dargestellten Vorrichtung erfolgt gleichzeitig mit der Zuführung des Plasmagases über den Einlaßstutzen 12 und des Kühlmittels über die Einlaßstutzen 13 und 14 auf der Entladungsstrecke zwischen der Auflage 2 der Elektrode 1 und der Hauptdüse 6 des Plasmabrenners 5 ausgelöst über die Einrichtung 11 die Zündung des Hilfslichtbogens. Der durch diesen Hilfslichtbogen ionisierte Plasmagasstrom führt bei seinem Anströmen gegen das Werkstück 4 zum

Zünden des Hauptlichtbogens 20 zwischen der Auflage 2 der Elektrode 1 und dem Werkstück 4. Sobald dieser Hauptlichtbogen brennt, wird der die Hauptdüse 6, den Kippschalter 9, den Widerstand 10 und die Einrichtung 11 umfassende Stromkreis zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle 3 unterbrochen, was gegebenenfalls automatisch erfolgen kann.

Der Lichtbogenstrom im Hauptlichtbogen 20 variiert je nach der Art der Behandlung des Werkstücks 4 in einem Bereich zwischen 50 und 100 A/mm bezogen auf den Durchmesser der zentralen Bohrung 8 der Hauptdüse 6. Beim Schweißen wird mit Lichtbogenströmen zwischen 60 und 100 A/mm gearbeitet, während für die Zwecke eines Oberflächenumschmelzens oder einer kathodischen Reinigung Stromwerte zwischen 50 und 70 A/mm bevorzugt sind.

Als schwer schmelzbare Materialien für die Auflage 2 auf der Stirnseite der Elektrode 1 des Plasmabrenners 5 kommen neben Wolfram und dessen Legierungen beispielsweise mit Yttrium vor allem auch Molybdän, Tantal und Hafnium in Betracht Dank der Bemessung des Durchmessers der Auflage 2 in bezug auf den der zentralen Bohrung 8 der Düse6 ist eine Einwirkung von unerwünschten Metalldämpfen auf das Werkstück 4 ausgeschlossen.

Nachstehend soll das praktische Arbeiten mit einer Vorrichtung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, noch anhand einiger Ausführungsbeispiele veranschaulicht werden.

Beispiel 1

Ein 1-StoB wird unter Schutzgas einseitig in einein Durchgang geschweißt, wobei als plasmabildendes Gas ein Inertgas, als zusätzliches Schutzgas ein Aktivgas verwendet wird.

Der Grundwerkstoff hat 4 mm Dicke. Der Durchmesser des Zusatzwerkstoffes beträgt 1,6 mm. Die Zusammensetzung des Grundwerkstoffes ist wie folgt (Anteile in Gew.-%):

Si

Mn

Cr

Ni

Ti

Fe

0,1%
0,5%
1,5%

18%

10%
1,0%

68,9%

Die Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes ist wie folgt (Anteile in Gew.-%):

Si

Mn

Cr

Ni

Ti

Fe

0,08%

1,0%

20%

10%
1,0%

66.0%

Der Durchmesser der zentralen Bohrung der Düse 6 beträgt 3 mm. Der Durchmesser der nichtabschmelzenden Elektrode 1 ist gleich 10 mm. Die stirnseitige Auflage 2 hat einen Durchmesser von 10 mm. Als Material nimmt man für diese Auflage 2 eine Legierung von 97,5% W mit 2.5% Y. Die weiteren Schweiß-Parameter lauten: Bogenstrom 300 A, Bogenspannung 30 V, Verbrauch an plasmabildendem Gas (Argon) 40 l/h, Verbrauch an zusätzlichem Schutzgas (Kohlendioxid) 800 l/h, Schweißgescl.'Bindigkeit 30 m/h.

Beispiel 2

Es wird eine Plattierungsschicht unter Schutzgas aufgeschmolzen, wobei als plasmabildendes Gas ein Inertgas und als zusätzliches Schutzgas ein Aktivgas verwendet wird sowie das Aufschmelzen unter Zugabe eines zusätzlichen Werkstoffes geschieht. Der Durchmesser des zusätzlichen Schweißdrahtes betrag; 1,6 mm. Der Grundwerkstoff ist wie folgt zusammengesetzt (Anteile in Gew.-%):

Si

Mn

Fe

0,22%
03%
0,4%
99%

Der Zusatzwerkstoff hat die folgenden Bestandteile (in Gew.-%):

Si

Mn

Cr

Ni

Ti

Fe

0,08%

1,0%

20%

10%
1,0%

66%

Der Durchmesser der zentralen BohningS der Düse 6 ist gieich 5 mm. Der Durchmesser der nichtabschmelzenden Elektrode 1 beträgt 10 mm. Die sitrnseitige Auflage 2 mißt 10 mm im Durchmesser. Die Auflage 2 besteht aus 97,5% W und 2,5% Y. Die Schweißparameter sind: Bogenstrom 300 A, Bogenspannung 31V, Verbrauch an plasmabildendem Gas (Argon) 160 l/h,. Verbrauch an zusätzlichem Schutzgas (Kohlendioxid) 800 l/h. Dabei beträgt die Bogenstromstärke, bezogen auf den Durchmesser der zentralen Bohrung 8 der Düse 6 60 A/mm, ist der Durchmesser des Lichtbogens 20 im Anodenbereich um das l,25fache größer als derjenige der zentralen Bohrung 8 der Düse 6, liegt das Durchmessevverhältnis zwischen der nichtabschmelzenden Elektrode 1 und der zentralen Bohrung 8 der Düse 6 bei 2 und steht der Lichtbogen im Anodenbereich ganz iⁿ elektrischem Kontakt mit der schwerschmelzenden Auflage 2.

Beispiel 3

Es wird eine Plattierungsschicht mit einem Zusatzwerkstoff unter Schutzgas aufgeschmolzen, wobei für die Plasmabildung ein Inertgas und für den zusätzlichen Schutzgasstrom ein Aktivgas-Inertgas-Gemisch verwendet wird. Die Zusammensetzung des Grundwerkstoffes in Gew.-% ist:

	0,20%
Si	0,3%
Mn	0,4%
Fe	99%
Die Zusammensetzung des	Zusatzwerkstoffes
Gew.-% ist:
C	0,08%
Si	1,0%
Mn	1.0%
Cr	20%
Ni	10%
Ti	1,0%
Fe	66%

Der Durchmesser der zentralen Bohrung 8 der Diise 6 ist gleich 6 mm. Der Durchmesser der nichtabsehmel zenden Elektrode 1 mißt IO mm. Der Durchmesser der Auflage 2 beträgt 10 mm. Die Auflage 2 besteht aus 97% W und 3% La. Beim Aufschmelzen fahrt man folgende Arbeitsparameter: Bogenstrom 420 A. Bogenspannung 40 V, Verbrauch an plasmabildendem Gas (Argon) 170 l/h, Verbrauch an zusätzlichem Schutzgas 20 l/h Argon und 1780 l/h Kohlendioxid.

Beispiel 4

Fs wird ein Oberflächenumschmelzen in einer Schut/gaskammer unter Anwendung des gleichen Gases als phismabildendcs Gas ohne Ziisatzwerk-toff vorgenommen.

I IVlUl It. Vl\. 1 ^IVIV nvil

ohne Ziisatzwerk-toff

Die Schutzgasatmosphäre besteht ,ms Argon. Die Zusammensetzung des umzuschmelzenden Materials in Gew.-% betragt

Γι

ΛI

Mo

Cr

TU',,

Der Durchmesser der zentralen Bohrung 8 der Diise 6 ist gleich !Omni. Der Durchmesser der nicht.ibschmelzcnden Elektrode 1 betrag! Ix mm. Die stirnseitige Auflage 2 milil IK mm im Durchmesser. Sie besteht aus ^7% W und )"'o Lu. [-iir das Imsrhmelzen wird die folgende Betriebsweise gewählt: l.asttrom 500 A. I.asispanming 60 V. Verbrauch an plasmabildendem Gas (Argon) 400 l/h.

Beispiel 5

Fs wird ein Oberflächenumsehmelz.en in einer Sihuizgaskammer ohne Zusat/werkstoff durchgeführt. ■Anbei als plasmabildendes Gas das gleiche Mischgas wie fiir die Schutzgasatmosphäre verwendet wird.

Die Schutzgasatmosphäre stellt ein Argon-Helium-Geri!S(.h dar. Das um/uschmelzende Material hat υ'IgCPvIe Bestandteile (in Gew.-"<.):

Mo
Cr

2.0%
1.0%

Der Durchmesser der zentralen Bohrung 8 der Diise 6 ·> ist gleich 10 mm. Der Durchmesser der niehtabschmelzenden Elektrode I mißt 18 mm. Der Durchmesser der stirnseitigen Auflage 2 beträgt 18 mm. Das Auflagenmaterial ist eine Wolframlegierung mit 97% VV und 5% I. Rir das Umschmelzen stellt man den folgenden Zustand in ein: Bogenstrom 500 A, Bogenspannung 70 V. Argonverbrauch für die Plasmabildting 400 l/h. Hcliumverbt'iiuch für den gleichen Zweck 600 I h

Beispiel 6

Ein l-.Sloß wird unter Schutzgas mit Inertgasen .ils

plasmabildendes Zentral- und als zusätzliches Schutzgas geschweißt. Die zu verschweißenden Bleche sind 50 mm diik. Die Zusammensetzung des Grund und

:<\ /usatzwerkstoifes beträgt in Gew."i<:

Al
Si
Ie
Cu

0.35%

0.3%

0.0:3%

Ti

Ai

7.0'·

Der Durchmesser der zentralen Bohrung 8 der Düse 6 betragt 13 mm. Der Durchmesser der nichtabschmelzenden Anode I mißt 25 mm. Der Durchmesser der stirnse.;tgen Auflage 2 ist gleich 20 mm. Als Auflager,-material sind 98% W und 2% La genommen. Die Schweißparameter sind: Bogenstrom 1000 A. Bogenspannung 00 V. V-jrbrauch an Argon als piasmabildendem Gas 90 l/h. Verbrauch an Helium als zusätzlichem Schutzgas 1600 l/h. Schweißgeschwindigkeit 12 m/h. Dabei ist der Lichtbogen im Anodenbereich dauernd ganz im elektrischen Kontakt mit der Auflage 2.

Somit kann man beim Plasma-Bearbeiten elektrisch leitender Werkstoffe verschieden verfahren, und zwar unter Anwendung verschiedener Kombinationen von Zentral- (plasmabildendem) und zusätzlichem Schutzgas, um eine hohe Arbeitsgüte und eine gute Leistung zu erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Plasma-Bearbeitung von elektrisch leitenden Werkstoffen mit einem Plasmabrenner, der eine übe:r eine Gleichspannungsquelle auf einem anderen Gleichspannungspotential als das zu behandelnde Werkstück gehaltene Elektrode mit einer stimseitigen Auflage aus einem schwer schmelzenden Material wie Wolfram und eine zwischen der Elektrodenstirnseite und dem Werkstück liegende Düse mit einer zentralen Bohrung aufweist, in der ein Plusmalichtbogen brennt, dessen auf den Bohrungsdurchmesser bezogener Strom zwischen 50 und 100A/mm liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (2) auf der Stirnseite der Elektrode (1) im Durchmesser größer bemessen ist als die zentrale Bohrung (8) der Düse (6).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Elektrode (1) im Durchmesser mindestens um das 1,1 fache größer ausgeführt ist als die zentrale Bohrung (8) der Düse (6).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) auf einem gegenüber dem zu behandelnden Werkstück (4) positiven Gleichspannungspotential liegL