DE2711831C2 - Verfahren zum Plasma-MIG-Schweißen und Schweißbrenner zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Schweißbrenner zum Plasma-MIG-Schweißen, wobei in einem Gasstrom zwischen einer nicht-abschmelzenden Plasmaelektrode und einem Werkstück ein Plasmabogen unterhalten wird, eine abschmelzende Elektrode axial in das Gasplasma geführt wird und zwischen der abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück ein MIG-Bogen unterhalten wird.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der GB-PS 38 866 bekannt; wenn dabei geschweißt wird mit positiver Polarität der Plasmaelektrode und der abschmelzenden Elektrode, tritt oberhalb einer bestimmten Stromstärke in der abschmelzenden Elektrode, Übergangsstromstärke genannt, eine Rotation des MIG-Bogens sowie des Endes der abschmelzenden Elektrode auf. Der Wert dieser Obergangsstromstärke ist in wesentlichem Maße von dem Durchmesser, der Zusammenstellung und der herausragenden freien Länge der abschmelzenden Elektrode abhängig. Wenn mit einer Stromstärke in der abschmelzenden Elektrode unterhalb der genannten Obergangsstromstärke geschweißt wird, dreht sich der MIG-Bogen nicht und bleibt ortsfest Beim_Schweißen mit dem ortsfesten MIG-Bogen

ίο und mit der maximal anwendbaren Stromstärke ist die pro Zeiteinheit abgeschmolzene Materialmenge durch diese Übergangsstromstärke begrenzt Außer der genannten Übergangsstromstärke gibt es noch eine meistens höhere kritische Stromstärke, oberhalb derer Bogeninstabilitäten auftreten und die Schweißverbindung porös wird. Auch bei negativer Polarität der Plasmaelektrode und der abschmelzenden Elektrode ist von einer kritischen Stromstärke die Rede, oberhalb welcher der Materialübergang weniger ruhig verläuft als unterhalb dieser kritischen Stromstärke.

Die Erfindung bezweckt nun, diese Beschränkungen zu verringern und die Anwendungsmöglichkeiten des Plasma-MIG-Schweißverfahrens zu erweitern. Dies wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch er-.

reicht, daß mindestens eine zweite abschmelzende Elektrode in dasselbe Gasplasma geführt wird, und zwar in einer Richtung parallel zur ersten abschmelzenden Elektrode, wobei zwischen der zweiten abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück ebenfalls ein MIG-Bogen unterhalten wird.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß trotz der Tatsache, daß die beiden abschmelzenden Elektroden sich in demselben Gasplasma befinden, sie sich dennoch unabhängig voneinander verhalten und verschiedene Zusammenstellungen, Durchmesser und Potentiale haben können und mit verschiedenen Geschwindigkeiten zugeführt werden können, sogar wenn sie an dierelbe Speisequelle angeschlossen sind.

Für alle abschmelzenden Elektroden gelten, was die Übergangsstromstärke, die kritische Stromstärke und die Abschmelzgeschwindigkeit anbelangt, nahezu dieselben Bedingungen wie beim Schweißen mit jeder der beiden Elektroden einzeln; dies bedeutet, daß bei sonst gleichen Parametern die gesamte Übergangsstromstärke einen höheren Wert hat Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beim Schweißen mit zwei ortsfesten MIG-Bogen wesentlich höhere, in bestimmten Fällen doppelte Stromstärken und Abschmelzgeschwindigkeiten erzielen als beim Schweißen mit einer einzigen abschmelzenden Elektrode.

Es sei bemerkt, daß es aus der DE-PS 17 89 079 an sich bekannt ist, mit einem Plasmabogen und mit mehreren stromführenden Schweißelektroden zu schweißen. Dabei treten jedoch die genannten Probleme, und zwar Rotation des MIG-Bogens nicht auf, weil die Schweißelektroden nicht axial in das Gasplasma geführt werden, sondern seitlich; dieses Verfahren ist zum Auftragsschweißen bestimmt und eignet sich außerdem nicht zum Herstellen von Schweißverbindungen.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Schweißbrenner zum Durchführen des Verfahrens, der im wesentlichen aus einem Gehäuse mit einer Düse, die eine Plasmaöffnung aufweist, einer nicht-abschmelzenden Plasmaelektrode, einer Drahtführung, einem Kontaktelement und Mitteln zum Zuführen eines Plasmagases besteht, wobei die Plasmaelektrode an eine erste Speisequelle und die Kontaktelektrode an eine zweite Speisequelle angeschlossen ist. Dieser Schweißbrenner

veist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß im Gehäuse mindestens eine zweite Drahtführung parallel zur ersten Drahtführung angeordnet ist Es hat sich herausgestellt, daß der Abstand zwischen den beiden Drahtfuhrungen innerhalb weiter Toleranzen variieren kann, und zwar ohne nennenswerte Abweichung der Abschmelzgeschwindigkeit, unter der Bedingung, daß die abzuschmelzenden Schweißdrähte einander nicht berühren; ein minimaler Abstand der beiden Schweißdrähte, etwa entsprechend dem dreifachen Durchmesser des Drahtes, hat sich als ausreichend erwiesen. Durch Änderung das Abstandes der abschmelzenden Elektroden und ihrer Lage gegenüber der Schweißstelle kann die Form der Einschmelzung des Werkstükkes beeinflußt werden.

Das Kontaktelement kann verschiedenartig ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners sind die beiden Drahtführungen als Kontaktelemente ausgebildet, wobei die zweite Drahtführung an eine dritte Speisequelle angeschlossen ist Bei dieser Ausführungsform erhalten die beiden abzuschmelzenden Schweißdrähte ihren Schweißstrom über die als Kontaktelemente ausgebildeten Drahtführungen von gesonderten Speisequellen, so daß die Schweißdrähte gegenüber dem Gasplasma auf verschiedene Potentiale eingestellt werden können. Bei dieser Ausführungsform muß das Gehäuse derart bemessen sein, daß im Gehäuse genügend Raum zum Unterbringen der Plasmaelektrode und der beide!.' Drahtführungen verfügbar ist

Eine einfachere und gedrängtere Konstruktion wird bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners erhalten, und zwar dadurch, daß die beiden Drahtführungen zu einem gemeinsamen Kontaktelement zusammengefügt sind, das zentral im Gehäuse angeordnet ist Dabei erhalten die beiden Schweißdrähte ihren Schweißstrom über das gemeinsame Kontaktelement von der zweiten Speisequelle.

Bei den beiden obenstehend beschriebenen Ausführungsformen kann die Plasmaelektrode zentral oder exzentrisch im Gehäuse angeordnet werden, wobei die beiden Drahtführungen exzentrisch oder die eine Drahtführung zentral und der andere exzentrisch angeordnet sind.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners ist die Düse als gemeinsames Kontaktelement ausgebildet, wobei die beiden Drahtführungen exzentrisch im Gehäuse angeordnet sind und die Mittellinien der Drahtführ ingen so den Umfang der Plasmaöffnung nahezu berühren. Mit dieser Ausführungsform kann mit einer minimalen herausragenden freien Länge der beiden Schweißdrähte geschweißt werden; dabei wird unter herausragender freier Länge der stromführende Teil der Schweißdrähte zwischen der Düse und ihrem freien Ende verstanden. Die beiden Drahtführungen sind jedenfalls exzentrisch im Gehäuse angeordnet Die Plasmaelektrode kann entweder zentral oder ebenfalls exzentrisch angeordnet werden.

Dadurch, daß bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners die Düse als Plasmaelektrode ausgebildet ist, kann eine gesonderte Plasmaelektrode im Gehäuse entfallen und wird eine sehr gedrängte Brennerkonstruktion erhalten.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den F i g. 1 bis 4 der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung sind gleichartige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen angedeutet

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 aiit einem Schweißbrenner 3, dessen Gehäuse 5 eine Düse 7 mit einer Plasmaöffnung 9 aufweist Eine nicht-abschmelzende Plasmaelektrode 11, die beispielsweise aus Wolfram besteht und auf einem Elektrodenhalter 13 aus Kupfer befestigt ist, ist im Gehäuse 3 angeordnet, und zwar exzentrisch gegenüber der Mittellinie X-X des Gehäuses und der Düse.

Weiter sind im Gehäuse 5, mit ihren Mittellinien Y-Y und Z-Zparallel zueinander, eine erste Drahtführung 15 sowie eine zweite Drahtführung 17 angeordnet, die zum Führers der Schweißdrähte 19 bzw. 2! dienen.

Der Elektrodenhalter 13 mit der Plasmaelektrode 11 sowie die beiden Drahtfuhrungen 15 und 17 sind in einer Abschlußkappe 23 aus elektrisch isolierendem Material befestigt und sind dadurch gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert Das Gehäuse 5 ist weiter mit einem Anschluß 25 zum Zuführen eines Plasmagases A, beispielsweise eines Inertgases wie Argon, versehen. Ein Schirm 27 mit Anschlüssen 29 dient zum Zuführen eines Schutzgases 5, beispielsweise eines Argon-Kohlensäuregasgemisches, das zum Schütze der Schweißstelle vor Oxydation dient

Die Plasmaelektrode 11 ist über eine Anschlußklemme 31 am Elektrodenhalter 13 und über einen Hochfrequenzgenerator 33 an den positiven Pol einer ersten Spannungsquelle 35 mit einer fallenden Kennlinie angeschlossen, deren negativer Pol an ein zu bearbeitendes Werkstück W angeschlossen ist Die beiden Schweißdrähte 19 und 21 werden zugeführt mittels Transportrollen 37 bzw. 39, die mit regelbarer Geschwindigkeit von Elektromotoren 41 bzw. 43 angetrieben werden.

Nach der Erfindung sind die beiden Drahtführungen zugleich als Kontaktelemente zum Übertragen des Schweißstromes auf die beiden Schweißdrähte ausgebildet und sind dazu mit Anschlußklemmen 45 bzw. 47 versehen; die Drahtführung 15 ist an den positiven Pol einer zweiten Speisequelle 49 angeschlossen, während die Drahtführung 17 an den positiven Pol einer dritten Speisequelle 51 angeschlossen ist; die beiden Speisequellen, die eine flache Kennlinie aufweisen, sind mit ihrem negativen Pol ebenfalls mit dem Werkstück W verbunden.

Zum Schweißen des Werkstücks W wird über den Anschluß 25 ein inertes Plasmagas A durch das Gehäuse 5 und die Plasmaöffnung 9 in Richtung des Werkstücks W geführt Durch die Anschlüsse 29 im Sch'rm 27 wird ein Schutzgas S zugeführt Ein mittels einer Hochfrequenzentladung gezündeter Plasmabogen wird im inerten Gasstrom zwischen der Plasmaelektrode 11 und dem Werkstück Wunterhalten. Durch Ionisation des inerten Gases wird ein Gasplasma erzeugt Zwischen den beiden axial in das Gasplasma geführten Schweißdrähten 19,21 einerseits und dem Werkstück W andererseits werden zwei MIG-Bögen gezündet und unterhalten. Die beiden Schweißdrähte werden auf diese Weise in einem Mantel aus Plasmagas abgeschmolzen. Mit L ist die frei herausragende, stromführende Länge der Schweißdrähte bezeichnet.

Dadurch, daß in demselben Gasplasma gleichzeitig zwei oder mehrere Schweißdrähte zum Schmelzen gebracht werden, wird, wie bereits erläutert, die gesamte pro Zeiteinheit abgeschmolzene Materialmenge wesentlich vergrößert Bei der Vorrichtung 61 nach F i g. 2 sind die beiden Drahtführungen zu einem gemeinsamen

Kontaktelement 63 zusammengefügt, das im Gehäuse 5 zentral angeordnet ist Über eine Anschlußklemme 65 ist das Kontaktelement 63 an die zweite Speisequelle 49 angeschlossen. Die Transportrollen 37 sowie die Transportrollen 39 zum Transport der beiden Schweißdrähte 19 und 21 werden gemeinsam vom Elektromotor 41 angetrieben. Bei dieser Ausführungsform entfallen die dritte Speisequelle sowie ein zweiter Elektromotor für den gesonderten Antrieb eines der Schveißdrähte.

F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung 71, wobei die Düse 7 als gemeinsames Kontaktelement ausgebildet ist Dazu ist die Düse mittels einer Anschlußklemme 73 an die zweite Speisequelle 49 angeschlossen. Die beiden Drahtführungen 15 und i7 sind derart im Gehäuse 5 angeordnet, daß ihre Mittellinien Y-Ybzv/. Z-Z den Innenumfang 75 der Düse 7, die die Plasmaöffnung 9 begrenzt, nahezu berühren, und zwar derart, daß die Schweißdrähte beim Vorschieben am Innenumfang 75 entlanggleiten. Bei dieser Ausführungsform entfällt die dritte Speisequelle ebenfalls. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Drahtführungen 15 und 17 gegenüber der zentral angeordneten Plasmaelektrode 11 symmetrisch angeordnet Andere Aufstellungen der Plasmaelektrode und der Drahtführungen sind jedoch auch möglich, beispielsweise eine Aufstellung der Drahtführungen nebeneinander und/oder eine exzentrische Aufstellung der Plasmaelektrode.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung 81 ist die Düse 7 als Plasmaelektrode ausgebildet Dazu ist die Düse mittels einer Anschlußklemme 83 an die erste Speisequelle 35 angeschlossen. Dadurch, daß eine gesonderte Plasmaelektrode im Gehäuse 5 entfällt, wird eine gedrängte Brennerkonstruktion mit verhältnismäßig geringen Abmessungen erhalten. Auße-dem kann der Abstand zwischen dem Kontaktelement 63 und der Düse 7 verhältnismäßig kurz gehalten werden, so daß auch mit dieser Ausführungsform mit verhältnismäßig geringer frei herausragender Länge der Schweißdrähte geschweißt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist der Hochfrequenzgenerator 33 nicht mehr notwendig, weil der Plasmabogen spontan zum Zünden gebracht werden kann, und zwar durch die MIG-Bögen, die auf einfache Weise dadurch gezündet werden, daß die Schweißdrähte mit dem Werkstück in Berührung gebracht werden.

Bei Versuchen, die mit einer Vorrichtung nach F i g. 2 mit zu einem gemeinsamen Kontaktelement zusammengefügten Drahtführungen durchgeführt wurden, wurde zum Schweißen von Flußstahl mit positiver Polarität der beiden Schweißdrähte mit je einem Durchmesser von 1,2 mm geschweißt; die Stromstärke des Plasmabogens betrug 120 A bei 43 V. Die Gesamtstromstärke durch die zwei Schweißdrähte betrug 520 A bei 30 V.

ίο Dabei wurde eine totale Abschmelzgeschwindigkeit von 252 g/Minute erzielt, ohne daß Rotation des MIG-Bogens stattfand. Der Abstand zwischen den Mittellinien der Schweißdrähte betrug dabei 6 mm. Bei Vergleichsversuchen, die mit einem einzigen Schweißdraht durchgeführt wurden, dessen Querschnitt nahezu der Summe der Querschnitte der beiden genannten Schweißdrähte entsprach, d. h. mit einem Durchmesser von 1,7 mm, und mit denselben weiteren Schweißparametern, wurde lediglich eine maximale Abschmelzgeschwindigkeit von 140 g/Minute erreicht

Beim Schweißen mit einem einzigen Schweißdraht mit einem Durchmesser von 1,2 mm lag der Wert für die kritische Stromstärke unter bestimmten Umständen bei 470 A. Unter praktisch denselben Umständen ließ sich mit zwei Schweißdrähten schweißen mit einer Stromstärke von 390 A durch jeden Schweißdraht, d. h. mit einer Gesamtstromstärke von 780 A.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung können zwei oder mehrere Schweißdrähte verschiedener Zusammenstellungen und/oder verschiedener Durchmesser verwendet werden, wobei die Schweißdrähte außerdem mit verschiedenen Geschwindigkeiten zugeführt werden können.
Die Vorteile der Erfindung treten auch beim Auftragschweißen von Materialien auf, wobei der Materialübergang bei rotierendem MIG-Bogen auf weniger kontrollierte Weise erfolgt beispielsweise beim Auftragsschweißen einer Nickellegierung; beim Füllen schmaler Nähte mit hoher Abschmelzgeschwindigkeit, wobei es nicht möglich ist, mit einem sich drehenden MIG-Bogen in die Naht zu gelangen; beim Legieren mit Hilfe von genormten Schweißdrähten verschiedener Zusammenstellungen, beispielsweise beim Verschweißen zweier Werkstücke aus verschiedenen Materialien.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Plasma-MIG-Schweißen, wobei in einem Gasstrom zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und einem Werkstück ein Plasmabogen unterhalten wird, eine abschmelzende Elektrode axial in das Gasplasma geführt wird und zwischen der abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück ein MIG-Bogen unterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zweite abschmelzende Elektrode (21) in dasselbe Gasplasma geführt wird, und zwar in einer Richtung parallel zur ersten abschmelzenden Elektrode (19), wobei zwischen der zweiten abschmelzenden Elektrode (21) und dem Werkstück (W) ebenfalls ein MIG-Bogen unterhalten wird.

2. Schweißbrenner zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, der im wesentlichen aus einem Gehäuse mit einer Düse, die eine Plasmaöffnung aufweist, einer nicht-abschmelzenden Plasmaelektrode, einer Drahtführung, einem Kontaktelement und Mitteln zum Zuführen eines Plasmagases besteht, wobei die Plasmaelektrode an eine erste Speisequelle und das Kontaktelement an eine zweite Speisequelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (5) mindestens eine zweite Drahtführung (17) parallel zur ersten Drahtführung (15) angeordnet ist

3. Schweißbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drahtführungen (15, 17) als Kontaktelemente ausgebildet sind, wobei die zweite Drahtführung (17) an eine dritte Speisequelle (51) angeschlossen ist

4. Schweißbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drahtführungen (15, 17) zu einem gemeinsamen Kontaktelement (63) zusammengefügt sind, das zentral im Gehäuse (5) angeordnet ist.

5. Schweißbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (7) als gemeinsames Kontaktelement ausgebildet ist, wobei die beiden Drahtführungen (15,17) exzentrisch im Gehäuse (5) angeordnet sind und die Mittellinien der Drahtführungen (15, 17) den Umfang der Plasmaöffnung (9) nahezu berühren (F i g. 3).

6. Schweißbrenner nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (7) als Plasmaelektrode ausgebildet ist (F i g. 4).