DE2524493B2 - Verfahren und Vorrichtung zum MikroplasmaschweiBen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Mikroplasmaschweißen mit einem übertragenen Plasmaschweißlichtbogen, bei dem zwischen einer Brennerelektrode und einer Brennerdüse aufgrund einer ersten elektrischen Energie ein Pilotlichtbogen aufrechterhalten wird und bei dem ferner zwischen Brennerelektrode und Werkstück ein Plasrnaschweißgas zugeführt wird, welches durch den Pilotlichtbogen ionisiert wird und danach durch Anlegen einer zweiten elektrischen Energie zwischen Brennerelektrode und Werkstück sowie durch Annäherung der Brennerelektrode zum Werkstück der Plasmaschweißlichtbogen gezündet und aufrechterhalten wird.

Das Mikroplasmaschweißverfahren wird insbesondere zum Verbindungsschweißen von ca. 0,05 bis 1,0 mm dicken Blechen, Folien, Drähten, Sieben aus hochlegierten Stählen, Kupfer, Chrom-Nickel, Titan, Reinnickel und deren Legierungen angewandt, wobei ein Plasmaschweißlichtbogen mit einer Stromstärke im Bereich zwischen etwa 0,1 und 20 A₁ bei einer Plasmaschweißgasmenge von etwa 0,1 bis 1 l/min, insbesondere 0,2 bis 0,4 l/min sowie einem den Plasmaschweißlichtbogen umgebenden Schutzgasstrom von ca. 1 bis 8 l/min und einem kontinuierlich brennenden Pilotlichtbogen mit einer Stromstärke von ca. 2,0 bis 2,5 A aufrechterhalten wird. Dabei erfolgt bisher die Zündung dieses Plasmaschweißlichtbogens dadurch, daß zunächst (wie in der DE-OS 18 07 960 vorgeschlagen) mittels eines Hochfrequenz-Zündgerätes ein Pilotlichtbogen gezündet und dann die Düsenöffnung des Mikroplasmabrenners, aus welcher das durch den Pilotlichtbogen ionisierte Plasmagas ausströmt, derart nahe an die Werkstückoberfläche (Schweißstelle) gebracht wird, daß durch das ionisierte Plasmagas die elektrische Strecke zwischen der Brennerelektrode und dem Werkstück, welche beide an dem Plus- bzw. Minuspol einer Stromquelle angeschlossen sind, überbrückt, dadurch der Stromkreis Elektrode-Stromquelle-Werkstück-Elektrode geschlossen und der Plasmaschweißlichtbogen gezündet wird. Nach der Zündung des Plasmalicl.tbogens wird dann der Brenner auf den üblichen Schweißabstand (ca. 5 mm) vom Werkstück weg bewegt. Die Praxis hat gezeigt, daß zur Zündung des Plasmaschweißlichtbogens die Düsenöffnung sehr dicht (kleiner als 2 mm) an die Schweißstelle angenähert werden muß und trotzdem eine 100% Zündsicherheit nicht immer gewährleistet ist.

Darüber hinaus ist es aus der DE-OS 22 31975 bekannt, beim Schweißen von Metallen unter Wasser einen stabilen Plasmalichtbogen dadurch zu erzeugen, indem zur Zeit des Schweißbeginns die Plasmagasmenge vergrößert wird.

Hinzu kommt, daß insbesondere beim Mikroplasmaschweißen von Werkstücken aus hochlegiertem Stahl im Dickenbereich einiger Zehntelmillimeter (0,5 mm) die Plasmaschweißgasmenge auf Werte im Bereich von 0,2 l/min und darunter eingestellt werden muß, damit der Plasmaschweißlichtbogen keine Schneideigenschaften aufweist, welche in Form von nachteiligen Einbrandkerben am Rand der Schweißnaht sichtbar werden.

Bei diesen geringen Plasmaschweißgasmengen ist die Zündung des Plasmabogens noch schwieriger. Der Erfinder hat erkannt, daß diese Zündschwierigkeiten insbesondere darauf zurückzuführen sind, daß der Anteil des aus dem Brenner ausströmenden ionisierten Gases zu gering ist.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art und der genannten Erkenntnis ist es

Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zündschwierigkeiten beim Mikroplasmaschweißen zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zu schaffen, bei dem auch bei kleinen Plasmaschweißgasmengen eine gute Zündsicherheit erreichbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Zündung des Plasmaschweißlichtbogens in an sich bekannter Weise die Plasmaschweißgasmenge und daß ferner die Größe der ersten elektischen Energie (Pilotlichlbogenenergie) gegenüber den zum Schweißen erforderlichen Einsteildaten kurzzeitig vergrößert wird. Dabei hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn die Plasmaschweißgasmenge und/oder die Größe der Pilotlichtbogenenergie, insbesondere des Pilotlichtbogenstromes, um den Faktor 1,3 bis 3,0, vorzugsweise um den Faktor 2,0, vergrößert wird.

Durch die Erfindung wird vorteilhaft erreicht, daß nicht nur ein ionisierter Gasstrom aus der Brennerdüse austritt, sondern daß zusätzlich ein Teil de^. Pilotlichtbogens aus der Brennerdüse in Richtung des Werkstückes gedruckt wird. Dieser Effekt wird einerseits durch die kinetische Energie der kurzzeitig vergrößerten Plasmamenge sowie andererseits durch die Erhöhung des Pilotlichtbogenstromes und des damit verbundenen erhöhten Elektronenaustrittes erreicht Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft möglich, entweder die Gasmenge oder den Pilotlichtbogenstrom zu erhöhen. Dabei ist es besonders günstig, wenn die Erhöhung impulsartig erfolgt Besonders optimale Zündergebnisse konnten festgestellt werden, als beide Größen (Gas und Strom) gleichzeitig impulsartig vergrößert wurden.

Durch die erfindungsgemäße Lehre werden optimale Zündergebnisse (100% Zündsicherhei«) auch dann erreicht, wenn die Plasmamenge zum Schweißen einen Wert im Bereich von etwa 0,2 l/min bis 0,15 l/min aufweist und die Entfernung der Düsenaustrittsöffnung von der Werkstückoberfläche im Bereich von 3 bis 6 mm liegt. Somit wird durch die Erfindung ein berührungsloses Zünden des Plasmaschweißlichtbogens bei einem größeren Abstand zwischen Düse und Werkstück als bisher möglich, was insbesondere beim Schweißen von dünnen Werkstücken von Vorteil ist. Durch den möglich gewordenen größeren Zündabstand wird auch der Anwendungsbereich des Mikroplasma-Schweißens für die Mikroplasmahandschweißung erweitert Die erfindungsgemäße Gas- bzw. Str. .. rhöhung erfolgt zum Zünden des Plasmaschweißlichtbogens.

Sobald diese Zündung erfolgt ist, werden Gas und Strom sofort auf die »kleineren Schweißwerte« wieder abgesenkt. Dadurch werden Schneidwirkungen des Plasmaschweißlichtbogens vorteilhaft vermieden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine erste Stromquelle zur Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises aufweist, deren Minuspol über eine Leitung mit der Brennerelektrode und der Pluspol über eine Düsenleitung mit der Brennerdüse verbunden ist und einer zweiten Stromquelle zur Versorgung des Hauptlichtbogenstromkreises, deren Minuspol über eine M) Leitung mit der Brennerelektrode und deren Pluspol über eine Werkstückleitung mit dem Werkstück in Verbindung steht und mit einer Plasmaschweißgasquelle, die über eine Gasleitung mit dem Brenner verbunden ist. Diese Vorrichtung weist in vorteilhafter Weiterbil- hi dung der Erfindung im pilotlichtbogenstromkreis in an sich bekannter Weise zu- bzw. abschaltbare Widerstände und in der Gasleitung in an sich bekannter Weise zu- bzw. abschaltbare Ventile auf.

In der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Erfindung unter Hinweis auf weitere vorteilhafte Merkmale und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein Plasmaschweißbrenner schematisch dargestellt und mit 10 bezeichnet. Der Brenner 10 weist einen Brennerkörper 11 auf, in dem ein Kühlmittelkanal 12 sowie eine Brennerdüse (Plasmabogeneinschnürdüse) 13 angeordnet ist. In einer zentralen Bohrung 14, welche zur Führung des Plasmaschweißgases dient, ist mittels eines Zentrierstückes 15 eine Brennerelektrode 16 gehalten. Ferner sind im Brennerkörper 11 Schutzgaskanäle 17 angeordnet.

Eine erste Gleichstromquelle 18 dient zur Versorgung und Aufrechterhaliung des während dem gesamten Schweißvorgang brennenden Pilotlichtbogens, welcher mit 19 bezeichnet ist. Hierzu ist der Minuspol 20 der Stromquelle 18 über eine Leitung 21 mit der Brennerelektrode i6 und der Pluspol 22 über eine Düsenleitung 23 mit der Brennerdüse 13 verbunden. An die Leitung 21 sowie die Leitung 23 ist ein nicht näher dargestelltes Zündgerät 24 zur Zündung des Pilotlichtbogens 19 angeschlossen.

Die zweite Gleichstromquelle 25 dient zur Versorgung und Aufrechterhaltung des mit 26 bezeichneten Plasmaschweißlichtbogens, wobei der Minuspol 27 dieser Stromquelle über eine Leitung 28 mit der Brennerelektrode 16 und der Pluspol 29 über eine Werkstückleitung 30 mit dem Werkstück 31 in Verbindung steht.

Erfindungsgemäß ist in der Düsenleitung 23 ein Widerstand 32 zur Begrenzung des Pilotlichtbogenstromes auf ca. 2—2,5 A vorgesehen, dem ein Parallelzweig 33, bestehend aus einem Widerstand 34 und einem Kontakt 35, zugeordnet ist. Bevorzugt sind die Widerstände 32 und 34 gleich groß dimensioniert, so daß bei einer Parallelschaltung dieser Widerstände der doppelte Pilotlichtbogenstrom im Pilotlichtbogenstromkreis 36 fließt.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist die Bohrung 14 mit einer Gasleitung 37 verbunden, in welcher eine zur Einstellung der zum Schweißen erforderlichen Plasmagasmenge dienende Ventilanordnung 38 angeordnet ist. Die Ventilanordnung 38 besteht dabei bevorzugt aus einem Gasmengeneinsteller (Rodameter) 39 und einem Magnetabsperrventil 40. Die Gasleitung 37 ist an eine Gasflasche 41 mit beispielsweise Argon, Helium od. dgl., angeschlossen.

Ferner mündet in die Gasleitung 37 zwischen Gasmengeneinsteller 39 und Brenner 10 eine Zusatzgasführung 42, in welcher eine zur Einstellung der zusätzlichen Gasmenge beim Zünden des Plasmalichtbogens dienende zweite Ventilanordnung 43, bestehend aus einem Gasmengeneinsteller (Rodameter) 44 und einem Magnetabsperrventil 45, vorgesehen ist.

Die Schutzgaskanäle 17 sind über eine Schutzgasleitung 46, in welcher ein Magnetabsperrventil 47 und ein Gasmengeneinsteller 48 vorgesehen ist, mit einer Schutzgasquelle 49 (Argon, Helium oder andere bekannte und geeignete Gasgemische) verbunden.

Die oben genannten Magnetventile 50, 45,47 und der Kontakt 35 werden durch eine besonders vorteilhafte Relaissteuerung 5 geöffnet bzw. geschlossen und dabei das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt, wie auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Funktionsweise der veranschaulichten Schweißeir.richtung

mil der Steuerung 50 hervorgeht.

Zunächst wird an den Gasmengeneinstellern 39, 44, 48 die jeweiligen Gasmengen eingestellt, und zwar beispielsweise: Gasmengeneinsteller 39 — Plasmascliweißgas 0,2 l/min Argon, Gasmengeneinsteller 44 — Zusatzgasimpuls 0,1 l/min Argon, Gasmengeneinsteller 48 — Schutzgas 4 l/min Helium.

Ferner wird an der zweiten Stromquelle 25 der Schweißstrom auf 0,8 A Gleichstrom und an der ersten Stromquelle 18 der Pilotlichtbogenstrom (Widerstand 32) auf 2,0A eingestellt, wobei wie oben erwähnt, die Widerstände 32 und 34 den gleichen Wert aufweisen.

Zum Starten der Einrichtung wird der Einschalter 51 betätigt und dadurch die beiden Stromquellen 18 und 25 sowie die Steuerung 50 mit einem Versorgungsnetz 52 verbunden. In diesem Zusammenhang wird bereits jetzt darauf hingewiesen, daß die beiden Stromquellen 18,25 sowie Steuerung 50 selbstverständlich in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen sind und nur aus Gründen der Übersicht getrennt in der Zeichnung dargestellt wurden.

Mit der Betätigung des Schalters 51 wird über den Transformator 53 die Magnetspule 54 erregt und das dazugehörige Gasventil 40 geöffnet, so daß die eingestellte Plasmagasmengc (0,2 l/min) der Bohrung 14 zugeführt wird. Durch Betätigung des Starters 55 wird nunmehr durch das Zündgerät 24 der Pilotlichtbogen 19 gezündet, welcher durch die Stromquelle 18 bei einem Strom von 2,0 A aufrechterhalten wird. Der Pilotlichtbogen 19 ionisiert zum überwiegenden Teil das aus der Düse 13 ausströmende Schweißgas.

Soll nun eine Schweißung durchgeführt werden, so wird der Brenner 10 über die Schweißstelle bewegt (von Hand oder mittels einer Vorrichtung) und ein beispielsweise am Brennerhandgriff vorgesehener Taster 56 betätigt, wodurch das Relais 57 anzieht. Das Relais 57 schließt den Kontakt 58, so daß die Magnetspule 59 erregt, das Ventil 47 geöffnet und Schutzgas (2 l/min)dem Schweißbereich zugeführt wird. Gleichzeitig wird das Relais 60 über den in Ruhestellung geschlossenen Kontakt 61 erregt und die Kontakte 35 und 62 geschlossen. Der Kontakt 35 bewirkt eine Parallelschaltung der Widerstände 32 und 34 und damit eine Erhöhung des Pilotlichtbogenstromes auf 4 A. Dei Kontakt 62 erregt die Magnetspule 63, wodurch da-Zusatzgasventil 45 geöffnet wird und der Düse 13 nunmehr eine Gasmenge von 0,3 l/min zugeführt wird. Die kurzzeitige Erhöhung von Pilotstrom unc Plasmagas bewirkt bei einem Abstand 64 der Düse 13 von dem Werkstück 31 von ca. 5 mm ein Zünden de; Plasmaschweißlichtbogens 26. Mit der Zündung wire das Relais 65 erregt, der Kontakt 66 geschlossen und dei

to Kontakt 61 geöffnet. Dadurch bleibt wohl die Magnetspule 59 erregt und das Schutzgasventil 47 offen das Relais 60 fällt jedoch ab, wobei die Kontakte 35 unc 62 wieder geöffnet werden und eine Reduzierung dei Plasmagasmenge sowie des Pilotlichtbogenstromes aul die zum Schweißen erforderlichen optimalen Werte erfolgt. Der Taster 56 bleibt bevorzugt während de; Schweißens geschlossen.

Am Ende einer Schweißung kann mittels dei Stromquelle 25 der Schweißstrom beispielsweise kontinuierlich abgesenkt werden. Das Relais 65 isi gemäß der Erfindung vorzugsweise so ausgelegt, daß e: bei einem Plasmaschwcißbogenstrom von 100 mA abfällt, so daß der Kontakt 61 kurz vor Beendigung dei Schweißung wieder geschlossen ist, und durch Erregung des Relais 60 die Plasmagasmenge kurzzeitig wiedci erhöht wird, wodurch ein Oxidieren der Elektrode K vorteilhaft vermieden wird. Dabei kann — fall; erwünscht — durch eine entsprechende Schaltung in dei Steuerung selbstverständlich eine Erhöhung der Pilot lichtbogcnstromes ausgeschaltet werden.

Aus dem obigen Ausführungsbeispiel ergibt sich, daf. zum Zünden des Plasmaschweißlichtbogens das Plasma schweißgas und der Pilotlichtbogenstrom kurzzeitig unc impulsartig (ca. 0,1 see) erhöht werden. Selbstverständ lieh ist es auch möglich und liegt im Rahmen dei Erfindung, wenn nur das Gas oder nur der Pilotstron kurzzeitig erhöht wird. Bevorzugt ist die Erfindung bein Mikroplasmaschwcißcn anwendbar, eine Übertragung der Erfindung auf andere Plasmavcrfahren ist abei ebenfalls vorteilhaft möglich. Ferner sind ändert Ausführungsformcn der Steuerung 50, insbesondere aul elektronischer Basis mit entsprechenden Bauelementer und integrierten Schaltkreisen, möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Mikroplasinaschweißen mit einem übertragenen Plasmaschweißlichtbogen, bei dem zwischen einer Brennerelektrode und einer Brennerdüse aufgrund einer ersten elektrischen Energie ein Pilotlichtbogen aufrechterhalten wird und bei dem ferner zwischen Brennerelektrode und Werkstück ein Plasmaschweißgas zugeführt wird, welches durch den Pilotlichtbogen ionisiert wird und danach durch Anlegen einer zweiten elektrischen Energie zwischen Brennerelektrode und Werkstück der Plasmaschweißlichtbogen gezündet und aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des Plasmaschweißlichtbogens in an sich bekannter Weise die Plasmaschweißgasmenge und ferner die Größe der ersten elektrischen Energie gegenüber den zum Schweißen erforderlichen Einstelldaten kurzzeitig vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaschweißgasmenge und/oder die Größe der ersten elektrischen Energie um den Faktor 1,3 bis 3,0, vorzugsweise um den Faktor 2,0, vergrößert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer ersten Stromquelle zur Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises, deren Minuspol über eine Leitung mit der Brennerelektrode und deren Pluspol über eine Düsenleitung mit der Brennerdüse verbunden ist und einer zweiten Stromquelle zur Versorgung des Hauptlichtbogenstromkreises, deren Minuspol über eine Leitung mit der Brennerelektrode und deren Pluspol über eine Leitung mit dem Werkstück in Verbindung steht und mit einer Plasmaschweißgasquelle, die über eine Gasleitung mit dem Brenner verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Pilotlichtbogenstromkreis (36) in an sich bekannter Weise zu- bzw. abschaltbare Widerstände (32, 34) und in der Gasleitung (37, 42) in an sich bekannter Weise zu- bzw. abschaltbare Ventile (40,45) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Düsenleitung (23) ein Widerstand (32) zur Begrenzung des Pilotlichtbogenstroms vorgesehen ist, dem ein Parallelzweig (33), bestehend aus einem Widerstand (34) und einem Kontakt (35), zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (32, 34) in der Düsenleitung (23) und im Parallelzweig (33) gleich groß dimensioniert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasleitung (37) eine zur Einstellung der Plasmamenge beim Schweißen dienende Ventilanordnung (38) angeordnet ist, und daß zwischen Gasmengeneinsteller (39) und Brenner (10) in die Gasleitung (37) eine Gaszuführung (46) mündet, in welcher eine zur Einstellung der zusätzlichen Gasmenge beim Zün- to den des Plasmalichtbogens dienende zweite Ventilanordnung (43) vorgesehen ist.