-
Die vorliegende Erfindung befaßt sich der Technik der
Schweißung von Fahrzeugaufbauten und insbesondere mit der
Schweißung von Fahrzeugkarosserien von einer Seite her, bei
gleichzeitiger Erzielung gesunder Schweißnähte bei Stählen mit
verdampfungsfähigen Bestandteilen, wie z. B. verzinkte Bleche,
und bei Vermeidung verkürzter Brennerlebensdauer.
-
Widerstandspunktschweißen wird am häufigsten bei
Fahrzeugkarosseriekonstruktionen verwendet; die Zahl der
Widerstandsschweißpunkte für eine Fahrzeugkarosserie beträgt in der Regel
über 4000 (wie in Fig. 1A deutlich gemacht werden kann).
Widerstandspunktschweißen erfordert einen Zugang von beiden Seiten
der Schweißstelle; dies schränkt die Konstruktionsmöglichkeiten
ein und erfordert oft Schweißpunkt-Zugangsöffnungen 50, um die
Schweißung durchführen zu können (wie es in Fig. 1B und 1C
dargestellt ist). Demzufolge müssen die Größe und das Gewicht der
Teile erhöht werden, um den Materialverlust und die Verringerung
der Steifigkeit auszugleichen, die durch diese Zugangsöffnungen
entstehen. Einseitiges Karosserieschweißen kann diese Nachteile
vermeiden. Einseitige Schweißungen werden unter Einsatz von
Laser oder Plasma durchgeführt, die beide ein Bad aus
geschmolzenem Metall in der nächstliegenden zu verschweißenden Platte
erzeugen, wobei dieses Bad dann die Wärme auf die nächste daran
anliegende Platte leitet, so daß dort eine etwas kleinere Stelle
aufgeschmolzen wird; die Erstarrung der so miteinander
vermengten Bäder ergibt die Schweißstelle dazwischen. Einseitiges
Plasma-Lichtbogen-Schweißen ist vorzuziehen, weil es niedrigere
Investitionen und Betriebskosten bedingt, leichter durchzuführen
und zu erhalten ist, und keinen geschlossenen Sicherheitsraum
erfordert.
-
Es ist nun schwer, eine gute effektive Punktschweißung von
einer Seite her in einem Werkstoff zu erzeugen, der
verdampfungsfähige Bestandteile enthält, wie z. B. mit Zink
beschichteter Stahl, wie elektrisch galvanisierter oder
warmbadgalvanisierter Stahl. Zink fängt schon bei Temperaturen weit unter dem
Schmelzpunkt von Stahl an zu kochen (so etwa bei 900ºC
gegenüber 1500ºC für die Schmelztemperatur von Stahl). Zinkdampf muß
dann beim Schweißen durch die Grenzschicht des Schmelzbades
entweichen, es sei denn, es besteht ein Spalt zwischen den Platten
und der Grenzschicht; ein solcher Spalt ist aber in der Regel
nicht vorhanden; und wenn er vorliegt, erfordert er eine sehr
genaue Kontrolle in der Produktion, die allerdings schwer zu
verwirklichen ist. Zinkdämpfe haben daher gewöhnlich keinen
geeigneten Ausweichweg und explodieren schlagartig, wenn sie sich
einen Weg durch das Schmelzbad bahnen. Es gibt für das
verdampfte Zink keinen geeigneten Durchgang ins Freie, da der
geschmolzene Stahl eine sehr hohe Oberflächenspannung hat,
schwerflüssig ist und nur schlechte Netzfähigkeit aufweist; diese
Eigenschaften behindern aber jede Migration der Gase. Eine
Explosion des Stahlschmelzbades hinterläßt Leerräume in der
Schweißnaht, die einen ernsthaften Fehler darstellen, und die Zinkdampfexplosionen
können dazu führen, daß Verunreinigungen an der
Schweißpistolenspitze haften bleiben und deren Lebensdauer
reduzieren.
-
Der Artikel "Development of a robotic plasma arc spotwelding
technique for Jaguar cars (Entwicklung einer automatischen
Plasma-Lichtbogen-Punktschweißtechnik für Jaguar Fahrzeuge)",
erschienen in "Welding & Metal Fabrication", Band 62, Nr. 2,
1. Februar 1994, Seiten 51 und 52, offenbart ein Verfahren zum
einseitigen Punktschweißen einer metallenen Kraftfahrzeug-
Karosseriekonstruktion, welche verdampfende Bestandteile wie
Öle, Entfettungsmittel, Metalldämpfe enthält, wobei die
Konstruktion überlappende Metallagen hat, welches Verfahren
folgendes beinhaltet:
-
Beaufschlagen eines ausgewählten Punktes auf einer Seite der
besagten Konstruktion mit einer Plasmasäule, wobei besagte
Plasmasäule dadurch erzeugt wird, daß ein Plasmagas mit einem
vorgegebenen Volumenstrom durch einen von einem vorgegebenen
elektrischen Strompfad erzeugten elektrischen Lichtbogen
geleitet wird;
-
Abschirmen der besagten Plasmasäule in einem inerten Gas,
wobei besagte abgeschirmte Plasmasäule das Metall wenigstens
einer Lage an besagtem Punkt zum Schmelzen bringt; und
-
Abbrechen der Beaufschlagung mit dem Plasma-Lichtbogen, so
daß besagtes geschmolzenes Metall erstarren und die
Punktschweißung so vollenden kann.
-
Die vorliegende Erfindung liefert ein verbessertes Verfahren
zur einseitigen Punktschweißung von Stählen mit
verdampfungsfähigen Beschichtungen oder Bestandteilen bei Verwendung eines
Plasma-Lichtbogens zur Durchführung der Schweißung.
-
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren zur
einseitigen Punktschweißung einer metallenen Kraftfahrzeug-
Karosseriekonstruktion mit verdampfungsfähigen Beschichtungen
oder Bestandteilen gestellt, welche Konstruktion überlappende
Metallagen aufweist, und welches Verfahren folgendes beinhaltet:
-
(a) Beaufschlagen eines ausgewählten Punktes auf einer Seite
der besagten Konstruktion mit einer Plasmasäule, wobei besagte
Plasmasäule dadurch erzeugt wird, daß ein Plasmagas mit einem
vorgegebenen Volumenstrom durch einen von einem vorgegebenen
elektrischen Strompfad erzeugten elektrischen Lichtbogen
geleitet wird;
-
(b) Abschirmen der besagten Plasmasäule in einem inerten
Gas, welches mindestens 5-30 Volumen-% Sauerstoff enthält, wobei
besagte abgeschirmte Plasmasäule das Metall wenigstens einer
Lage an besagtem Punkt zum Schmelzen bringt, während der
Sauerstoff die Leichtflüssigkeit und die Netzfähigkeit der Met
allschmelze erhöht und ihre Oberflächenspannung senkt, so daß
jegliche Verdampfung von Bestandteilen ruhig durch die
Metallschmelze entweichen kann; und
-
(c) Abbrechen der Beaufschlagung mit dem Plasma-Lichtbogen,
so daß besagte Metallschmelze erstarren und die Punktschweißung
so vollenden kann.
-
Vorteilhafterweise kann der Lichtbogenstrom so gesteuert
werden, daß er anfangs für einen gegebenen Zeitraum niedrig ist,
der es der Plasmasäule erlaubt, das Schmelzbad radial nach außen
und durch die nächstliegende erste Lage vorzutreiben; für den
Rest des Schweißzyklus sollte der Strom dann erhöht werden,
wohingegen der Plasma-Volumenstrom reduziert wird. Es ist
außerdem vorteilhaft, den Lichtbogenstrom in der letzten Phase des
Schweißzyklus zu reduzieren, um jeglichen Rest verdampfter
Bestandteile aus der Schweißnaht zu entfernen; nach dem Abschalten
der Plasmasäule ist es vorzuziehen, nach dem Abschluß des
Schweißzyklus Sauerstoff durch ein reduzierendes Gas zusammen
mit einem Schutzgas zu ersetzen.
-
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden, dabei zeigt:
-
Fig. 1A: eine perspektivische Darstellung einer typischen
Karosseriekonstruktion nach dem bisherigen Stand der Technik,
welche die Zahl der zu verschweißenden Nähte zeigt;
-
Fig. 1B: eine vergrößerte Darstellung von Teilen des Innenraumes
der Konstruktion aus Fig. 1A, welche die Erfordernis von
Zugangsöffnungen zur Durchführung der Schweißungen
veranschaulicht;
-
Fig. 1C: eine schematische Darstellung der Art, wie eine
Widerstandsschweißung nach dem bisherigen Stand der Technik
unter Verwendung der Zugangsöffnungen durchgeführt wird;
-
Fig. 2A: eine perspektivische Darstellung einer
Kraftfahrzeug-Karosseriekonstruktion, an welcher eine einseitige Plasma-
Lichtbogen-Punktschweißung nach der vorliegenden Erfindung
durchgeführt wird;
-
Fig. 2B: ein vergrößertes perspektivisches Diagramm eines
Abschnittes der Karosseriekonstruktion nach Fig. 2A, welche die
Beziehung zwischen einer Plasma-Lichtbogenpistole und den
einander überlappenden Platten der Konstruktion darstellt, bei
denen keine Zugangsöffnungen zur Erleichterung der Schweißung
mehr nötig sind;
-
Fig. 2C: eine quergeschnittene Aufrißansicht einer
schematisch dargestellten Plasma-Lichtbogenpistole, die im Prozeß
der Erwärmung von galvanisiertem Stahl verwendet wird, wobei die
Darstellung die zerreißende Wirkung von aufkochendem Zink
veranschaulicht, wenn bestimmte Merkmale dieser Erfindung nicht zur
Anwendung gebracht werden;
-
Fig. 3A-3C: eine Reihe von schematischen Schnittansichten
im Aufriß, welche darstellen, wie eine
Plasma-Lichtbogenschweissung nach der vorliegenden Erfindung die Schweißung ohne
Aufbruch durch verdampfende Bestandteile durchführt;
-
Fig. 4: eine vergrößerte mittige Schnittansicht einer beim
Plasma-Lichtbogenschweißen verwendeten Düse;
-
Fig. 5: eine schematische Darstellung der Steuerungen für
den Schweißbrenner nach der vorliegenden Erfindung, welche die
selektive Regelung und Zuführung von Plasma und Schutzgas
ermöglichen;
-
Fig. 6: ein Zeitdiagramm, welches ein Beispiel dessen
darstellt, wie das Plasma- und das Schutzgas durch
Elektromagnetventile gesteuert werden kann, die zeitlich abgestimmt in bezug
auf die Veränderung des Lichtbogenstromes betätigt werden, um in
den Phasen Vorwärmen, Schweißen und Schweißnachbehandlung
jeweils unterschiedliche Bedingungen herzustellen; und
-
Fig. 7 zeigt eine mikrographische Darstellung (x100) eines
Abschnittes einer der vorliegenden Erfindung gemäß hergestellten
Schweißstelle.
-
Wie die Fig. 2A-2B zeigen, ist ein Automat 10 dazu
programmiert, einen Plasma-Schweißkopf 11 in eine Lage zu bewegen,
in der er sich etwa 10 mm von dem Schweißpunktziel 12 auf der
Konstruktion 13 befindet, die von einander überlappenden
Platten, Blechen oder Lagen 14, 15 gebildet wird. Der Schweißkopf 11
fährt soweit vor, daß er die am nächsten liegende Lage 14
berührt, und bringt eine ausreichend hohe Kraft auf, um die die
Baugruppe 13 bildenden verschiedenen Lagen in Kontakt
miteinander zu bringen (222-890 N, d. h. 60-200 lbs). Die
erforderliche Schweißabfolge wird von einem Steuerprogramm des Automaten
gewählt, das in einer Schnittstelleneinheit 16 einer
Schweißkonsole 18 gespeichert ist. Diese Einheit kann die Fähigkeit
haben, unter mindestens 9 verschiedenen Kombinationen von
Schweißstrom und Schweißzeit zu wählen, um unterschiedlichen
Schweißbedingungen gerecht zu werden. Bei Empfang des "Schweiß-
Ende"-Signales wird der Kopf 11 zurückgezogen, und der Automat
kann sich frei weiter zum nächsten Schweißpunktziel bewegen. Die
Stromversorgung 17 für den Schweißkopf wandelt einen
elektrischen Wechselstrom-Versorgungseingang in eine geregelte
Gleichstrom-Schweißstromspeisung um. Unter Einsatz des
Frequenzumkehrprinzips bietet diese eine rasche kontrollierte Reaktion zur
Erzielung eines gleichmäßigen kontrollierten Schweißlichtbogens.
Die Funktionen der Schweißkonsole 18 beinhalten folgendes:
Regelung und Überwachung des Plasma- und Schutzgasdurchsatzes,
Pilot-Lichtbogenzündung, Interpretation zur elektrischen
Stromsteuerung zwischen der Plasma-Schnittstelle und der
Stromversorgung, und Überwachung der Kühlmittel. Des weiteren beinhaltet
die Konsole eine Schweißablaufsteuerung 20 Festkörper-Steuermodulen
für eine genaue Steuerung der Variablen im
Schweißvorgang.
-
Die Merkmale der Schnittstelleneinheit 16 beinhalten die
automatische Wahl von Kanal- und Impulsgeneratorfunktionen, die
manuelle Programmierung der Kanalventile über eine Tastatur, die
Anzeige des gewählten Kanales und Ist-Druckes, eine
Schnittstelle zwischen der Steuerung des Plasmabrennerzubehörs und dem
Automaten bzw. der Band-Steuerung, und Statusanzeigeleuchten.
Die Impulsgeneratorfunktion, die einen zusätzlichen gesteuerten
Impuls zum Stromausgang addiert, wird insbesondere beim
Schweissen von verzinkten Werkstoffen eingesetzt. Die
Schweißablaufsteuerung steuert den Ablauf und die Synchronisationsfunktionen
für das Plasma-Punktschweißprogramm. Eine auf einem
Mikroprozessor aufgebaute Einheit der Ablaufsteuerung 20 bietet dem
Benutzer eine Reihe von Menüs; ihre Funktion beinhaltet alle
Schweißablauf-Steuervorgänge, so daß eine größere Flexibilität
erreicht wird, und weist ein Diskettenlaufwerk für die
Speicherung von Schweißprogrammen anhand effektiver Schweißergebnisse
auf.
-
Wie Fig. 4 zeigt, kann der Schweißkopf 11 einen in eine
speziell konstruierte pneumatische Zylindereinheit integrierten
Brenner aufweisen. Die Bewegung der Zylindereinheit bringt das
Ende des Plasmakopfes, auch Schirmkegel 23 genannt, in Kontakt
(oder in unmittelbare Nähe) mit der oberen Platte bzw. Lage 14.
Der Kopf 11 kann auch Näherungsschalter aufweisen, um die
Bewegungen der Zylindereinheit zu erfassen, sowie ein pneumatisches
Ventil für den Betrieb des Zylinders und einen Anschlußkasten
für die Signalisierung zur Steuerung. Der Schweißkopf wird auf
eine Brennerwechselplatte montiert; dadurch kann der Brenner
nach einer bestimmten Betriebszeit gewechselt werden: Luft- und
elektrische Steueranschlüsse laufen durch die Wechselplatte. Die
Plasma-Betriebsmittelanschlüsse beinhalten Wasser-Eingang,
Wasser-Ausgang, elektrische Stromversorgung, sowie Schutzgas-
und Plasmagasleitungen, die alle permanent am Brenner
angeschlossen sind. Der Wechsel der Plasmabrennerdüse kann über
einen Druckknopf ausgelöst werden, der das Plasmasystem
abstellt, das Kühlwasser abläßt und den Automaten in eine
geeignete Stellung fährt.
-
Das Schweißsystem verwendet seine eigene Kühlmittel-
Umwälzpumpe 31. Der Einsatz von deionisiertem Wasser ist hier
erforderlich, um die Entstehung einer Elektrolyse im Plasmakopf
zu verhindern. Die Zufuhr der Schweißbetriebsmittel von der
Schweißkonsole zum Plasmakopf ist einfacher bei Geräten, die
über dem Automaten installiert sind. Diese
Schweißbetriebsmittelanschlüsse können nicht durch ein Schnellwechsel-System
geführt werden, daher muß ein Galgen-Folgesystem die
Betriebsmittelanschlüsse zwischen der Konsole und dem Automatenkopf
überwachen. Die Plasma- und Schutzgase werden der Leitung von
einem lokalen Sammlersystem zugeführt. Automatische Start- und
Schichtschlußprozeduren werden von den programmierten Band-
Steuerungen gesteuert, um eine korrekte Gas-, Wasser-,
Pilotlichtbogen- und Hauptlichtbogensteuerung zu gewährleisten.
-
Plasmagas-, Schutzgas- und Wasser-Durchsatzmengen werden ständig
überwacht und automatisch abgeschaltet, wenn ein Fehler erkannt
wird. Wenn der Hauptbogen nicht gezündet werden kann, oder. wenn
kein Schweiß-Ende-Signal gegeben wird, versucht das System eine
weitere Schweißung in derselben Stellung. Schlägt der erneute
Versuch fehl, wird ein Fehler-Merker gesetzt, so daß fehlerhafte
Schweißungen vermieden werden.
-
Das erfindungsgemäße Plasma-Lichtbogen-Schweißsystem braucht
nur einen Zugang von einer Seite, um die Schweißung
durchzuführen. Dies ist äußerst vorteilhaft, weil nicht nur die
automatische Repositionierung viel einfacher und schneller ist,
sondern auch, weil keine Zugangsöffnungen in der Konstruktion
erforderlich sind, wo Träger- oder Hohlprofile eine
Schweißstelle umschließen (siehe Fig. 2B); die Konstruktion braucht
auch nicht mehr stärker dimensioniert und schwerer zu werden, um
den durch diese Zugangsöffnungen bedingten Materialverlust und
die Verringerung der Steifigkeit zu kompensieren.
-
Wie schematisch in Fig. 2C dargestellt ist, besteht die
Plasmabrennerdüse aus einer zentralen Elektrode (Anode) 32, die
so ausgebildet ist, daß sie senkrecht zu den Oberflächen der
(als Kathode angeschlossenen) zu verschweißenden Baugruppe
ausgerichtet wird. Der Lichtbogen wird zwischen der Elektrode 32
und dem Werkstück bzw. der Baugruppe 33 erzeugt. Der Plasmabogen
wird von einer Düseneinheit eingeschnürt, die sich um die
Elektrode nach unten und etwas weiter als die Spitze 34 der
Elektrode erstreckt. Das Plasma wird dadurch erzeugt, daß ein
Plasmagas 35 zwischen der Elektrode 32 und dem Inneren des
Düsenteils 36 heruntergeleitet wird, welches Gas, wenn es durch
den von der Elektrode erzeugten Lichtbogen strömt; soweit
ionisiert wird, daß es einen elektrischen Strom leitet und so zu
einem Plasma wird. Durch den Einsatz einer einschnürenden Düse
36 wird ein sehr intensiver säulenförmiger Plasmastrahl 37
erzeugt. Das Ergebnis ist ein stabiles und kontrollierbares
Hochtemperaturplasma. Die Pistole bzw. der Brenner besitzt
zusätzlich noch einen Schirmkegel 38, welcher von der Außenfläche
des Düsenteils 36 beabstandet ist und einen Endbereich aufweist,
der während des Schweißvorganges vorzugsweise an der Baugruppe
33 anliegt. Der Raum zwischen dem Schirmkegel und der Düse
bildet einen Kanal 39, durch welchen ein Schutz- oder Abschirmgas
40 geleitet wird, um so das Metallschmelzbad (das im
Schweißablauf erzeugt wird) gegen Oxydation zu schützen.
-
Die Elektrode 32 ist vorzugsweise aus Wolfram hergestellt
und innerhalb des Brenners hinter der Öffnung der Düse befestigt
und ist so gegen äußere Verunreinigungen geschützt, die sonst
die Hochtemperaturoberfläche der Elektroden angreifen würden.
Diese Anordnung erhöht erheblich die Standzeit der Elektrode
gegenüber anderen Lichtbogen-Schweißtechniken. Im Gegensatz zu
WIG- oder MIG-Schweißprozessen erfordert
Plasma-Lichtbogenschweißen keine hochfrequente Lichtbogenzündung. Die Zündung des
Plasmalichtbogens wird durch einen sog. Pilotbogen erreicht, der
die ganze Zeit eingeschaltet bleibt. Hohe Frequenz wird nur für
das erste Anschlagen des Pilotbogens benötigt. Dadurch, daß hohe
Frequenz nur einmal je Schicht eingesetzt wird, werden potentielle
Probleme durch Hochfrequenz-Interferenzen in bezug auf
Elektronische Bausteine vermieden, die den Automaten oder andere
Aspekte des Schweißsystems steuern.
-
Der Schirmkegel 38 ist so gebaut, daß er einer Kombination
von Wärme und Verbeulung widersteht. Der Kegel läßt sich als
Verschleißteil leicht austauschen. Die Wasserkühlung der Pistole
bzw. des Brenners kann über (in Fig. 4 dargestellte) Kanäle 42
sichergestellt werden. Die Größe der Schweißpistole bzw. des
Schweißkopfes 11 ist relativ gering. Die meisten Automaten für
die Schweißung von Kraftfahrzeug-Karosseriekonstruktionen haben
eine Gewichtsgrenze für die Schweißpistole (bzw. den Brenner),
die 100 kg nicht überschreiten sollte; viele Teile der
Karosseriekonstruktion haben Kastenprofile und -Formen, die bei einer
Widerstandsschweißpistole solche Ausmaße erfordern würden, daß
diese die Gewichtsgrenze für den Automaten übersteigen müßte.
-
Als Beschichtung oder im Stahlblech selbst vorhandene
verdampfungsfähige Werkstoffe können Explosionen hervorrufen, weil
sie bei einem tieferen Punkt als dem Schmelzpunkt des
Werkstückmaterials bereits kochen. So kocht z. B. Zink (wie Fig. 2C
zeigt) bei 900ºC, während der zu schweißende Stahl bei einer
Temperatur von 1500ºC schmilzt. Deshalb wird, wenn (bei der
Durchführung der Punktschweißung) ein Schmelzbad 43 in der
oberen Lage oder Platte 14 erzeugt wird, das Zink zum Verdampfen
gebracht, und es versucht dann, mit viel Mühe durch die
Schnittstelle bzw. das Schmelzbad zu entweichen. Der Druck des
Zinkdampfes baut sich zu großen Taschen bzw. Blasen 44 auf und wird
schließlich in einer Explosion durch die Schmelze abgeblasen.
Eine solche Explosion hinterläßt einen Hohlraum in der
Schweißnaht, also einen schweren Fehler, und die explodierende
Metallschmelze 45 neigt dazu, an der Düse oder an der Elektrode des
Plasmabrenners anzuhaften und damit die Standzeit des Brenners
oder der Düse erheblich zu verringern.
-
Ein kritisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die
Zugabe von Sauerstoff über einen vorgegebenen Teil oder auch
über die gesamte Dauer des Schweißzyklus, um so die Oberflzichenspannung
des gerade verschweißten geschmolzenen Stahls oder
Materials zu senken, und die Leichtflüssigkeit und Netzfähigkeit
der Materialschmelze zu erhöhen. Wie in den Fig. 3A-3C
dargestellt, wird die Plasma-Lichtbogenschweißung dadurch erzielt,
daß durch die obere Platte oder Lage 14 hindurchgebrannt wird,
so daß von einer Seite der Baugruppe her eine gepuddelte
Schweißmasse 46 gebildet wird. Dadurch wird die Einschränkung
anderer Schweißverfahren behoben, die ein genaues Brenner-Naht-
Verhältnis erfordern würden; obwohl der Brenner mit der
Baugruppe in Berührung kommt, braucht der Automat keinen Kontakt
mit der Baugruppe herzustellen, so daß Änderungen in der Höhe
der Dicken vermieden werden, die beim Widerstandsschweißen so
nötig sind. Das erfindungsgemäße System kann mehrere Lagen oder
Dicken verschweißen, selbst bis zu 4 Platten, was bei
Widerstandsschweißen nicht möglich ist. Die oberste Lage wird
dementsprechend, wie Fig. 3A zeigt, von der Plasmasäule 37
aufgeheizt, und dabei wird das Schmelzbad 46 erzeugt. Das
Schmelzbad wird größer und wird vom Plasmagas oder -Strahl 35 nach
unten vorgetrieben, bis es die untere Lage oder Platte 15
berührt. Um nun die Wanderung von Zinkdampf durch das Schmelzbad
zu ermöglichen, muß eine angemessene Sauerstoffmenge im
Schutzgas 40 vorhanden sein, um die Oberflächenspannung der
gepuddelten Schmelze zu verringern und deren Leichtflüssigkeit und
Netzfähigkeit zu erhöhen (diese Eigenschaften erlauben dem
Zinkdampf zu entweichen, während die gepuddelte Schmelze an der
Platte haften bleibt). Es kommt zu keinem Aufbau von
Zinkdampfblasen und somit zu keiner explosiven Bedingung. Statt dessen
bilden sich viele sehr kleine bzw. winzige Bläschen in der
Schmelze und wandern als feiner Sprühnebel 47 von aus dem
Schmelzbad austretendem Schweißmaterial nach außen ab.
-
Wie die Fig. 3A und 3B zeigen, wird die untere Platte
(bei 48) durch Wärmeleitung von dem Schmelzbad erwärmt, das sich
seinen Weg bis in Berührung mit dieser Platte gebahnt hat. Die
Wärme staut sich in einem kleineren Bereich in der unteren
Platte, und diese wird angeschmolzen. Die Menge der gepuddelten
Schmelze 46 wird etwas mehr in der oberen Platte 14, während die
untere Platte bei 49 allmählich durchgehend aufgeschmolzen wird.
Wie Fig. 3C zeigt, werden der Plasmabogen und die Säule
abgeschaltet, wenn sich eine ausreichend große Schweißperle 50
gebildet hat, und man läßt das geschmolzene Metall erstarren, so
daß es eine feste Schweißnaht 51 bildet.
-
Obwohl Sauerstoff die Oberflächenspannung in der Schmelze
gesenkt hat, können die sehr feinen Bläschen eine leichte
Ansammlung von Spritzern an der Düse ermöglichen, die dann über
einen längeren Zeitraum die Wirkung der Düsenleistung nachteilig
beeinflussen können. Eine Betrachtung der Fig. 5 und 6 zeigt,
wie die Gas- und Stromsteuerung verwendet wird, diesem Problem
zu begegnen. Um die Spritzer durch die feinen Bläschen zu
minimieren, können bestimmte Parameter am Anfang bzw. beim Vorlauf
betrachtet werden, bevor der Schweißzyklus bzw. -takt gestartet
wird. Diese Parameter beinhalten die Einleitung einer starken
Plasmagasströmung (etwa 20 Liter/Minute) über einen Zeitraum von
etwa 0,5 Sekunden durch den Plasmakanal sowie durch den
Schutzgaskanal. Gleichzeitig wird ein kleiner Strom (etwa 10 Amp.)
über diesen kurzen Zeitraum von 0,5 Sekunden angelegt. Wenn der
Schweißzyklus startet, wird der Plasmadurchsatz bei 20. Litern
pro Minute gehalten und der Lichtbogenstrom für 0,5 Sekunden auf
20 Amp. erhöht. Die starke Plasmagasströmung treibt die
Metallschmelze aus dem Puddelbad nach außen, so daß alle Spritzer nach
außen und weg von der Düse getragen werden; der kleine
Lichtbogenstrom reduziert dabei noch zusätzlich die Zahl der kleinen
Bläschen und Spritzer. Während der ersten 0,2 Sekunden des
Schweißzyklus tritt kein sauerstoff-angereichertes Gas in die
Düse ein.
-
Nach 0,2 Sekunden im Schweißzyklus wird der Volumenstrom an
Ar+H&sub2; Schutzgas vorteilhaft reduziert, und dann wird bei 0,5
Sekunden im Schweißzyklus der Volumenstrom des Plasmagases noch
weiter auf etwa 1,5 Liter pro Minute reduziert. Gleichzeitig
damit wird mit Sauerstoff angereichertes Schutzgas mit einem
Durchsatz von etwa 10 Litern pro Minute eingeleitet. Der Lichtbogenstrom
wird gleichzeitig auf 35 A angehoben. Dadurch wird
das Schmelzbad davor bewahrt, weggeblasen zu werden, und durch
die Erhöhung des Lichtbogenstromes läßt sich eine angemessene
Größe des Schmelzbades erreichen. Um zu verhindern, daß ein paar
Zinkdampfbläschen in der Schweißnaht zurückbleiben, wird der
Lichtbogenstrom nicht schlagartig abgeschaltet, sondern für
einen Zeitraum von etwa 0,25 Sekunden kurz vor der Vollendung
des Schweißzyklus auf 20 A zurückgenommen. Dies ergibt ein
ausgezeichnetes blasenfreies Erscheinungsbild der Schweißung. Zur
Durchführung dieser zeitlich abgestimmten Funktionen der Plasma-
und Schutzgase mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und
Durchsatzraten sowie mit verschiedenen elektrischen Stromstärken
zeigt Fig. 5 die Elektromagnetventile, die zur Ausführung
dieser Funktionen eingesetzt werden. Fig. 6 stellt außerdem ein
Beispiel dar, wie ein Programm verwendet werden kann, um diese
unterschiedlichen funktionalen Aspekte zur Durchführung zu
bringen.
-
Plasma-Punktschweißungen erfordern nicht mehr Zeit als
Widerstandspunktschweißungen mit einem typischen
Schweißpunktdurchmesser von 7 mm im Vergleich zu 4 mm bei einem
Widerstandsschweißpunkt. Die Schweißtaktzeit insgesamt beim
Plasma-Lichtbogenschweißen ist jedoch länger als bei einer gleichwertigen
Widerstandsschweißung, diese Zeit beträgt 2,25 Sekunden im
Gegensatz zu 1, 1 Sekunden beim Widerstandsschweißen (d. h. eine
Verdoppelung der Zeit). Die Auswirkungen etwas höherer
Schweißzeiten werden jedoch ausgeglichen durch eine schnellere
Positionierung des Brenners, da weniger Arbeitsgänge erforderlich
sind und kein Rückzug der Schweißpistole nötig ist.
-
Ein Teil der Metallschmelze kann im Verlauf des
erfindungsgemäßen Plasma-Lichtbogen-Schweißvorganges oxydiert werden; dies
wird bis auf ein tolerierbares Maß unter Kontrolle gehalten,
indem die zeitliche Dauer des Schutzgaseinsatzes während des
Schweißzyklus geregelt wird. Ein reduzierendes Schutzgas mit
Wasserstoff wird durch den Schutzgaskanal eingeleitet und wird
für etwa 0,2 Sekunden zu Beginn des Schweißzyklus eingesetzt,
und dann wieder nach Abschluß des Schweißzyklus.
-
Die Verwendung des mit Sauerstoff angereicherten Schutzgases
in den kritischen Phasen der Schweißung ergibt eine wesentlich
längere Standzeit der abbrennbaren Elektrode, zuverlässiges
Anschlagen des Lichtbogens, kontrollierte Eindringtiefe, hohe
Schweißgeschwindigkeiten, und ist bei automatischem Schweißen in
hohem Maße wiederholbar.
-
Die durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung erzeugte
ausgezeichnete Schweißung ist in Fig. 7 dargestellt. Dies ist
eine mikrographische Aufnahme eines Querschnittes durch einen
Plasma-Schweißpunkt auf galvanisiertem Stahl. Es liegt eine
dünne Oxydschicht 60 an der oberen Oberfläche der
Punktschweissung vor, und der Grenzflächenbereich 61 ist oxydfrei; die
Unversehrtheit der Schweißung bleibt mit einer Zugfestigkeit von
über 304 kgf (2990 N) erhalten. Wird die Schweißzeit auf mehr
als 2 Sekunden eingestellt, ist die Festigkeit der Plasma-
Punktschweißung gleich oder besser als diejenige von
Punktschweißungen.