DE2609685A1

DE2609685A1 - Vorrichtung zum plasma-mig-schweissen

Info

Publication number: DE2609685A1
Application number: DE19762609685
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Gerardus Essers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-03-19
Filing date: 1976-03-09
Publication date: 1976-09-30
Also published as: SE7602429L; BE839678A; CA1061418A; FR2304433A1; NL7503241A; ES446140A1; BR7601576A; IT1058008B; US4087671A; FR2304433B1; GB1490474A; NO760913L; FI760682A; JPS51116143A

Description

PUN

DEEN/HAJIT/PB 2O.2.I976

Dr. Herbert Sehol* 2609685

I'atcntnnu'a'lt

lnmslder: &V. Ρ»*' G.!oei\am_Penfobrielcen

Akte No.. PHN79
Anmeldung vorni 5» MäpZ 19?6

"Vorrichtung zum Plasma-MIG-schweissen."

Die Erfindung "betrifft eine

Vorrichtung zum Plasma-MIG-Scjiweissen, die
einen Schwelssbrenner enthält, der ein Gehäuse mit einer Düse, eine nicht abschmelzende Elektrode, ein Kontaktrohr für die Zufuhr eines
Schweissdrahtes und Mittel für die Zuleitung
eines Gases aufweist, und die weiter eine
erste Speisequelle mit einer steilen Kennlinie und eine zweite Speisequelle mit einer horizontalen Kennlinie enthält, wobei die nicht abschmelzende Elektrode an die erste Speisequelle und das Kontaktrohr an die zweite Speisequelle angeschlossen sind.

609840/0970

"■it-

Vim 79 hh 20.2/1976

Bei einer derartigen, aus der

britischen Patentschrift 1 276 110 gekannten Vorrichtung sind die beiden Speisequellen unabhängig und getrennt voneinander? hierbei wird ein Schweissdraht durch das Kontaktrohr axial durch die Düse geführt und ein MIG-Bogen instandgehalten zwischen dem Schweissdraht und einem Werkstück in einem thermisch ionisierten Gas, nachstehend Plasma genannt, das durch einen Plasmabogen in einem Gasstrom zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück gezeugt wird. Der Plasmabogen ist von der Speisequelle für den MIG-Bogen "unbeeinflusst. Auf diese Weise wird eine hohe Abschmelzgeschwindigkeit des Schweissdrahtes bei einem guten Zusammenfliessen der Schweissung und einer verhältnismässig geringen Penetration des Werkstückes erhalten.

Weiter ist aus der britischen

Patentschrift 1 338 866 eine eingangserwähnte Vorrichtung bekannt, bei der das Kontaktrohr und die nicht abschmelzende Elektrode an die positiven Pole der beiden Speisequellen angeschlossen sind. Bei einer niedrigen Stromstärke im Schweissdraht wird, hierbei ein zylindrischer

609840/0.970

PHN 7944

20.2.1976

MIG-Bogen mit konzentriertem Materialübergang erhalten. Eine hohe Stromstärke im Schweissdraht löst eine Rotation des MIG-Bogens und einen gestreuten Materialübergang aus.

In der Praxis hat es sich gezeigt, dass beim Schweissen mit diesen bekannten Vorrichtungen unter ungünstigen Bedingungen, beispielsweise bei einer zu grossen Bogenlänge, der Plasmabogen erlöschen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile zu beseitigen und die · Stabilität des Plasma-bogens zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die erste Speisequelle mit der zweiten"Speisequelle in Serie geschaltet ist. Diese Massnahme ergibt für die Speisung der nicht abschmelzenden Elektrode eine kombinierte Strom-Spannungs-Kennlinie, die eine Addition der gesonderten Kennlinien der beiden Speisequellen darstellt; die offene Spannung der nitiht abschmelzenden Elektrode in bezug auf das Werkstück ist jetzt gleich der Summe der offenen.Spannung der ersten Speisequelle und der Spannung am Schweissdraht, Der Teil der kombinierten Kennlinie, in dem sich der Arbeitspunkt

B 0 9 B A Π / fi Π 7 Π

pun 79 hk 20.2.1976

des Plasmabogens bei einer gegebenen Spannung befindet, ist steiler als der entsprechende Teil der gesonderten Kennlinie der ersten Speisequelle bei gleicher Spannung.

Zwar könnte die für die Speisung der nicht abschmelzenden Elektrode gewünschte ideale Kennlinie auch mittels einer speziellen Speisequelle erhalten werden. Es ist jedoch gerade einer der Vorteile der Massnahme nach der Erfindung·," dass die angestrebte Lösung lediglich durch eine geeignete Schaltung zweier herkömmlicher Speisequellen erzielt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgeraässen Vorrichtung sind auf an sich bekannte Weise das Kontaktrohr koaxial und die nicht abschmelzende Elektrode exzentrisch in bezug auf die Mittellinie der Düse im Gehäuse angeordnet. Hierbei wird der Schweissdraht zentral durch die Plasmaöffnung in der Düse hindurchgeführt. Die Düse kann derart ausgeführt sein, dass auf das Plasma ein Einschnürungseffekt ausgeübt wird, wobei . der Schweissdraht axial in das Bogenplasma eingeführt wird.

609840/0970

PHN 79 ¹^ -5- 20.2.1976

Die Plasmaöffnung in der Düse

kann auch, derart bemessen sein, dass die Düse nur eine rührende Funktion hat. Beim Zünden des MJG-Bogens wird das. Plasma infolge der Lorenz-Kraft um den Schweissdraht herum gezogen, wobei gleichfalls ein Einschnürungseffekt erfolgt.

Das Kontaktrohr braucht nicht zentral im Gehäuse angeordnet zu sein. Eine andere bevorzugte Ausführungsform der ei'findungsgemässen Vorrichtung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktrohr und die nicht abschmelzende Elektrode zu beiden Seiten der Mittellinie des Gehäuses angeordnet sind, Diese Massnahme ergibt einen Schwelssbrenner mit verhältnismässig geringen Querabmessungen.

Bei einer weiteren bevorzugten Aus* führungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Düse als nicht abschmelzende Elektrode ausgeführt. Das Kontaktrohr ist bei dieser Aus^·' führungsform in der Mittellinie der Düse angeordnet. Weil eine gesonderte nicht abschmelzende Elektrode, im Gehäuse nicht erforderlich ist, ist auch, bei dieser Ausführungsform ein Aufbau des Schweissbrenners mit kompakten Querabmessungen möglich.

609840/0970

PHN 29,2.1976

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in den Zeichnlangen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aus führung s for πι der Vorrichtung nach der Erfindung,

Figt 2. die Kennlinien der £3peise»- quellen, und

die Fig, 3 wid h weitere Ausfüh-* rungsformen der Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 enthält einen Schwelssbrenner 2 mit einem Gehäuse 3» das ein© Düse ,5 mit einer Plasmaöffnung 7 aufweist, Im Gehäuse 3 ist ein Elektrodenhalter 8 mit einer nicht abgehjnelzende» Elektrode 9» beispielsweise aus Wolfram, exzentrisch in bezug auf die Plasmaöffnung 7 angeordnet. Ein Schweissdraht 11 wird durch ein Zentral im Gehäuse angeordnetes Kontaktrohr axial durch die Mitte der Plasmaöffnung 7 geführt. Der Elektrodenhalter 8 und das Kontaktrohr sind in einer Kappe 14 aus isolierendem Material befestigt. Der Vorschub des Schweissdrahtes erfolgt mittels Transportrollen 15» die mit einstellbarer Geschwindigkeit von einem Motor

609840/0970 .

20.2.1976

angetrieben werden. Der Schweissbrenner 2 ist weiter mit einer Zuleitung 19 für die,Zuführungι eines Plasmagases A, z.B. Argon, versehen. Durch Anschlüsse 21 kann über einen Mantel 20 ein Schutzgas S, beispielweise ein Gemisch aus Argon und Kohlensäuregas, zugeführt werden. Das Gehäuse 3.» der Elektrodenhalter 8 und das Kontaktrohr 13 sind mit Kühlkanälen ausgerüstet, von denen der Deutlichkeit halber nur der Kühlkanal 22 des Gehäuses in der Zeichnung dargestellt ist. Diese Kühlkanäle stehen mit Anschlüssen 23« und 23'«, 25' und 25'' sowie 27' und 27" für den Zu- und Ablauf des Kühlwassers W .in Verbindung. Mittels eines Anschlusskontaktes 30 am Elektrodenhalter 8 ist die Elektrode 9 an einen der Pole einer ersten Speisequelle 29 mit einer steilen Kennlinie angeschlossen. Der Schweissdraht 11 ist mittels eines Anschlusskontaktes 32 auf dem Kontaktrohr 13 an einen . der. Pole einer zweiten Speisequelle 33 mit einer horizontalen Kennlinie angeschlossen. Der andere Pol der Speisequelle 33 ist mit einem ¥erkstück 35 verbunden. Die Elektrode 9 und der Schweissdraht 11 haben gleiche Polarität.

609840/0970

20.2.1976

Erfindungsgemäss ist die

Speisequelle 29 für den Plasmabogen mit der Speisequelle 33 für den MIG-Bogen in Serie geschaltet.

Der Effekt dieser Massnahme wird an Hand des in Fig. 2 dargestellten Diagramms näher erläutert; die Kurve C„ ■ gibt die horizontale Kennlinie der Speisequelle 33 für den MIG-Bogen. Mit C_p ist die gesonderte steile Kennlinie der Speisequelle 29 für den Plasmabogen bezeichnet. Da jetzt erfindungsgemäss die Speisequelle 29 für den Plasmabogen mit der Speisequelle 33 für den MIG-Bogen in Serie geschaltet ist, wird für den Plasmabogen eine kombinierte Strom-Spannungs-Kennlinie C erhalten, die eine Addition der beiden gesonderten Kennlinien C„ und Cp ist. Die offene Spannung dieser kombinierten Kennlinie ist gleich der Summe der offenen Spannung der Speisequelle 29 für den Plasmabogen und der Spannung am Schweissdraht.

Die kombinierte Kennlinie C ist im Arbeits-

punkt. ¥ steller als die Kennlinie C_p bei gleicher Plasmaspannung V . Hierdurch verbessert sich die Stabilität des Plasmabogens.

609840/0970

PHN 79hk -5- 20,2.1976

2609585

Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung· ist die Eigenschaft, dass die Stromstärke I_p des Plasmabogens bei Abwesenheit der Drahtspannung Vw niedriger ist als die Stromstärke I des Plasmabogens bei vor-

liegender Drahtspannung V„, Hierdurch ist es möglich, den Plasmabogen direkt mit der gewünschten Einstellung zu zünden} durch die darauf folgende Zündung des MIG-Bogens steigert sich die Stromstärke des Plasmabogens selbsttätig, ohne dass die Einstellung, des Plasmabogens geändert zu werden braucht. Bei der belannten Schaltung, bei der die beiden Speisequellen unabhängig voneinander sind, muss der Plasraabogen zur Vermeidung einer Uberbelastung der nicht abschmelzenden Elektrode zunächst mit einer verhältnismässig niedrigen Stromstärke gestartet werden? erst nach dem Zünden des MIG-Bogens kann der Plasmabogen auf die gewünschte höhere Stromstärke .eingestellt werden.

Zum Schweissen mit der beschriebenen Vorrichtung werden die Elektrode 9» das Kontaktrohr 13 und das ¥erkstück 35 auf die beschriebene Weise an die Speisequellen 29 und

600840/0970

-10- PIIN 79^4

20.2.

33 angeschlossen. Durch die Zuleitung 19 wird ein Plasmagas A und durch die Anschlüsse 21 ein Schutzgas S zugeführt. Der Schweissdraht 11 wird mit Hilfe der Transportrolle!! 15 vorgeschoben und mit Hilfe des Kontaktrohres 13 durch die Mitte der Plasraaöffnung 7 geführt,

Zwischen dem Schweissdraht 11 und dem Werkstück 35 wird ein MIG-Bogen gezündet. Zwischen der Wolframelektrode 9 und dem Werkstück»35 wird ein Plasmabogen ausgebildet, wodurch das durch die Plasmaöffnung 7 herausströmende Plasmagas ionisiert wird»

Dank der durch die erfindungsgemässe Massnahme erhöhten Stabilität des Plasmabogens ist die Möglichkeit des Erlöschens des Plasmabogens unter ungünstigen Bedingungen verringert; sollte der Plasmabogen trotzdem erlöschen, kann eine Wiederzündung leicht erfolgen, weil bei der erfindungsgemassen Schaltung der. beiden Speisequellen eine Spannung zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode und dem Schweissdraht vorhanden ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen andere Ausführungsformen der erfindungsgemassen Vorrichtung, wobei der Fig. 1 entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet worden sind.

6Q9840/0S7Q

PHN 20.2.1976

Bei der Vorrichtung nach. Fig. 3 ist nicht nur der Elektrodenhalter 8 mit der Elektrode 9 in bezug auf die Mittellinie T des Gehäuses 3 und der ■Plasmaöffnung 7 exzentrisch angeordnet, sondern auch das Kontaktrohr 13. Die PlasmaöfTnung 7 ist derart bemessen, dass keine Einschnürung des Plasmabogens P durch die Düse 5 erfolgt. Venn der Schweissdraht 11 stromlos ist, nimmt der Plasmabogen P den kürzesten Weg von der Elektrode 9 zum Werkstück 35> wobei der Schweissdraht sich längs des Plasmabogens erstreckt. Sobald der MIG-Bogen M gezündet wird, wird der Plasmabogen P durch die Lorentzkraft um den Schweissdraht 11 herum gezogen; wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 wird der Schweissdraht darauf axial in den Plasmabogen geführt und zum Schmelzen gebracht.

Fig. h zeigt eine Ausfuhrungsform, bei der das Kontaktrohr 13 wiederum koaxial im Gehäuse 3 angeordnet ist. Hierbei erübrigt sich eine gesonderte, im Gehäuse angeordnete nicht abschmelzende Elektrode, weil die Düse 5 als nicht abschmelzende Elektrode

609840/0970

PHN 79hh

20.2.1976

dient und über den Anschlusskontakt 30 am Gehäuse 3 an die Stromquelle 29 angeschlossen ist. Der Plasmabogen P zwischen der Düse 5 und dem Werkstück 35 kann durch spontane Zündung durch den MIG-Bogen M erzeugt werden, der durch Berührung des stromführenden Schweissdrahtes 11 mit dem Werkstück 35 gezündet wird. Auch bei dieser Ausführungsform wird der Schweissdraht 11 axial in den Plasmabogen P eingeführt und zum Schmelzen gebracht» Die als nicht abschmelzende Elektrode dienende Düse 5 kann in Wolfram oder in.wassergekühltem Kupfer ausgeführt sein.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung sind die Speisequellen als Gleichstromquellen, ausgeführt , bei denen die nicht abschmelzende Elektrode und das Kontaktrohr gleiche Polarität aufweisen; die Vorteile der Erfindung machen sich besonders bei positiver Polarität der nicht abschmelzenden Elektrode und des Schweissdrahtes"bemerkbar.

609840/0970

Claims

PHN I9hh
20.2.1976

.TENTANSPRUECHE:

Vorrichtung zum Plasma-MIG-ychweissen, die einen Schweissbreimer enthält, der ein Gehäuse mit einer Düse, eine nicht abschmelzende Elektrode, ein Kontaktrohr für die Zufuhr eines Schweissdrahtes und Mittel für die Zuleitung eines Gases aufweist, und die weiter eine erste Speisequelle mit einer steilen Kennlinie und eine zweite Speisequelle mit einer horizontalen Kennlinie enthält, wobei die nicht abschmelzende Elektrode an die erste Speisequelle und das Kontaktrohr an die zweite Speisequelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Speisequelle (29) mit der zweiten Speisequelle (33) in Serie geschaltet ist.
2. , Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktrohr (13) koaxial \1nd die nicht-abschmelzende Elektrode (9) exzentrisch in bezug auf die Mittellinie der Düse (5) im Gehäuse ang e ο rdn e t s ind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktrohr (13) und die nicht-abschmelzende Elektrode

609840/0970

PHN

20.2.1976

(9) zu beiden Seiten d3r Mittellinie des \ Gehäuses (3) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (5) als nicht-abschmelzende Elektrode ausgeführt

609840/0970

Leerseife ·