DE69807175T2

DE69807175T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Plasmalichtbogenschweissen mit variabeler Polarität

Info

Publication number: DE69807175T2
Application number: DE69807175T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Fortain; Christian Reymond; Eric Verna
Original assignee: La Soudure Autogene Francaise
Current assignee: Lincoln Electric Company France SA
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2018-12-05
Also published as: US6025570A; DE69807175D1; ATE222156T1; AU736647B2; EP0924017A1; FR2772297B1; FR2772297A1; AU9408698A; EP0924017B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plasmalichtbogenschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen und die Verwendung einer derartigen Vorrichtung, wie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 beschrieben ist. Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens und einer derartigen Vorrichtung ist aus dem Dokument DE A 24 35 022 bekannt.
Das Plasmalichtbogenschweißen oder Plasmaschweißen ist, wie es das Dokument "Plasma Arc Welding (Plasmalichtbogenschweißen)", Kap. 10, Seiten 330-350, 8. Auflage, 1991, lehrt, das hier durch Bezugnahmen aufgenommen wird, ein Schweißverfahren durch Schmelzen des Metalls, das eine Erhitzung des Metalls mittels eines elektrischen Lichtbogens einsetzt, der sich zwischen einer nicht verbrauchenden Elektrode und dem oder den zu schweißenden metallischen Werkstücken (transferierter Lichtbogen) oder gegebenenfalls zwischen der Elektrode und der Düse des Plasmabrenners (nicht transferierter Lichtbogen) ausbildet.
Ein vom Plasmabrenner abgegebener ionisierter Gasstrom dient einerseits als Schutzgas und andererseits dazu, die durch den elektrischen Lichtbogen erzeugte Wärme auf das zu schweißende Werkstück zu übertragen und unter Umständen den elektrischen Lichtbogen zwischen der nicht verbrauchenden Elektrode und dem zu schweißenden Werkstück in eine bestimmte Richtung zu lenken.
Als plasmagenerierendes Gas kann ein Inertgas, wie beispielsweise Argon, oder eine ein derartiges Gas enthaltende Mischung eingesetzt werden, beispielsweise ein Argon/Helium-Gemisch.
Die Plasmalichtbogenschweißverfahren werden üblicherweise eingesetzt, um Kohlenstoffstähle oder nicht oxidierbare Stähle einlagig zu schweißen, das heißt, in einem einzigen Durchgang und ohne besondere vorherige Präparation der zu schweißenden Werkstücke aus Stahl und dies für Dicken, die bis zu 10 mm gehen.
So bildet sich im "key-hole"-Schweißmodus, dem insbesondere eine erhöhte Energiedichte und eine Einschnürung des Lichtbogens eigen ist, am Ort der zu schweißenden Verbindung ein Loch aus und das Eindringen des Plasmagasstroms geschieht auf zuverlässige Weise entlang der ganzen Dicke des Materials.
Darüber hinaus werden Aluminium und Aluminiumlegierungen auf klassische Weise unter Anwendung von Lichtbogenschweißverfahren mit einem Schutzinertgasfluss geschweißt, wie beispielsweise Verfahren der TIG-Art (für Tungsten Inert Gas, Wolfram-Inertgas) oder MIG-Art (für Metall Inert Gas, Metall-Inertgas), anstelle der Anwendung von Verfahren der Plasmalichtbogenart.
Nun erlebt man aber seit einigen Jahren eine starke Nachfrage der Industrie, insbesondere der Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie, nach Plasmalichtbogenschweißverfahren, die es gestatten, Aluminium und Aluminiumlegierungen effizient zu schweißen, insbesondere durch automatisches Schweißen.
So wurde das Plasmalichtbogenschweißen im "key- hole"-Modus, das zuerst beim Schweißen von Kohlestoffstählen und nicht oxidierbaren Stählen weitverbreitet war, auf das Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen ausgeweitet.
Das Dokument "Plasma Arc Welding of Aluminium Gas Containers (Plasmalichtbogenschweißen von Aluminiumgasbehältern)", H. Fostervoll et coll. Seiten 367-375, das hier durch Bezugnahme aufgenommen wird, beschreibt ein Plasmalichtbogenschweißverfahren im "key-hole"- Modus für zwei Halbkugeln oder Halbbehälter aus Aluminium, um nach der deren Vereinigung und der Schweißung einen Gasbehälter von 352 mm Durchmesser zu formen, dessen Wandungen aus Aluminium eine Dicke von 8 mm aufweisen. Dieses Verfahren setzt eine Schweißstation mit veränderlicher Polarität vom Typ HOBARTTM VP-300-S. ein Steuersystem für die Schweißung vom Typ ISOTEKTM und Argon einer Reinheit von 99,99% als plasmagenerierendem Gas ein.
Außerdem beschreibt das Dokument "Variable Polarity Plasma Arc Welding on the Space Shuttle External Tank (Plasmalichtbogenschweißen mit veränderlicher Polaritär am Außentank des Space Shuttle)", A. C. Numes et coll., Welding Journal, September 1984, Seiten 27-35, ein Plasmalichtbogenschweißverfahren mit veränderlicher Polarität, das von der NASA eingesetzt wird, um die äußeren Speicherbehälter der amerikanischen Raumfähre zu fertigen. Dieses Dokument hebt insbesondere die geringeren Kosten des Plasmalichtbogenschweißverfahrens im Vergleich zu den klassischen TIG- oder MIG-Verfahren beim Schweißen von Aluminium in Anbetracht der Tatsache hervor, dass dieses Verfahren es insbesondere zu vermeiden gestattet, die zu schweißenden Werkstücke vorzubehandeln.
Im Gegensatz zu Stahl erfordern nämlich Aluminium und seine Legierungen vor dem Schweißen eine vorherige Präparierung oder Vorbearbeitung, um die Oxide und die anderen Verunreinigungen (Staub, Fett ....), die sie bedecken können, zu beseitigen. Üblicherweise wird diese Vorbehandlung durch chemische oder mechanische Abtragung, wie beispielsweise Büsten, der Werkstücke aus Aluminium ausgeführt, was gleichermaßen die Produktionskosten erhöht.
Es wurde nun aber beobachtet, dass, wenn man im Laufe der Zeit während der Plasmalichtbogenschweißung die Polarität des Stroms variieren ließ, es möglich war, eine Art von Abtragung der Oberfläche des Materials durch den plasmagenerierenden Fluss hervorzurufen und diese vor dem eigentlichen Schweißen des Materials.
Genauer gesagt, ist die veränderliche Polarität eine Form von Wechselstrom mit rechteckförmigen, asymmetrischen Signalen, die in Dauer und Amplitude parametrisierbar sind.
Üblicherweise lässt man den Strom zyklisch von einer unteren Intensität (Id) oder Abtragungsphasenintensität, die für eine Abtragungszeit (Td) beibehalten wird, zu einer hohen Intensität (Is) oder Schweißphasenintensität variieren, die während einer Schweißzeit (Ts) beibehalten wird.
Allgemein wählt man eine Abtragungszeit (Td) von einer Dauer, die kleiner als die Schweißzeit (Ts) ist, aber eine Amplitude des Stroms während der Abtragungsphase, die größer als diejenige während der Schweißphase ist.
Es stellte sich nämlich heraus, dass die Lebensdauer der Wolframelektrode eine Funktion des Verhältnisses Ts/Td war.
Außerdem spielen der Einzug der Elektrode in der Düse, die Höhe des Brenners bezüglich des zu schweißenden Werkstücks oder Materials und die Durchflußmenge des plasmagenerierenden Gases eine nicht zu vernachlässigende Rolle in der Dynamik des Ausströmens.
Somit ist es beim Schweißen im Key-hole-Modus notwendig, die Durchflußmenge des plasmagenerierenden Gases zu steuern, das heißt zu begrenzen, um jegliche ungewollte Abtragung des Werkstücks zu verhindern. Dies kann insbesondere realisiert werden, wenn der Elektrodendurchmesser so klein wie möglich gewählt wird, um kein zu schnelles Gasausströmen hervorzurufen.
Umgekehrt gestatten eine große Einzugsstrecke der Elektrode in der Düse und/oder eine höhere Frequenz des Stromsignals, die Starrheit der Plasmasäule zu erhöhen und damit die Zufuhr elektrischer Energie zu vermindern.
Das Schweißen mit veränderlicher Polarität weist ebenso den Vorteil auf, zu einer geringen Porosität der Schweißnaht zu führen.
Darüber hinaus beschreibt das Dokument DE-A-24 35 022 ein Plasmalichtbogenschweißverfahren für Werkstücke aus oxidbedecktem Aluminium, das einen Mikroplasma- Schweißbrenner verwendet, der mit einer nicht verbrauchenden Elektrode ausgestattet ist, und das Wechselstromwellen rechteckiger Form einsetzt, deren positive und negative Halbwellen nicht identisch sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Plasmalichtbogenschweißverfahren mit veränderlicher Polarität für Aluminium und seine Legierungen zu verbessern, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen werden:
- die nicht die Nachteile der klassischen Verfahren aufweisen,
- die es gestatten, eine bessere Stabilität des Schweißens für Werkstücke großer Dicke zu erhalten, das heißt für Werkstücke mit beispielsweise einer Dicke von 8 mm und mehr,
- die es gestatten, zu einer effizienten Schweißung derartiger Werkstücke ohne Präparierung der Werkstücke zu gelangen, das heißt durch Kopf and Kopf liegende Montage (square but joint auf Englisch) und
- die im Industriemaßstab bequem einsetzbar sein sollen.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Plasmalichtbogenschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit:
- einem Schritt der Zündung eines Pilotlichtbogens zwischen einer Elektrode und einer Schweißdüse mittels eines Hilfsstroms, der von zumindest einer Hilfsstromquelle abgegeben wird und in einem Pilotlichtbogenstromkreis fließt,
- einem Schritt der Versorgung der Schweißdüse mit Plasmagas,
- einem Schritt der Zündung eines Hauptlichtbogens zwischen der Elektrode und einem zu schweißenden Material mittels eines Hauptstroms, der von zumindest einer Hauptstromquelle abgegeben wird und in einem Hauptstromkreis fließt,
- einem Schritt des zyklischen Wechselns der Polarität des Hauptstroms, um zumindest eine Phase der Abtragung des Materials mit einer ersten Strompolarität und zumindest eine Phase des Schweißens des Materials mit einer zweiten Strompolarität zu erhalten,
dadurch gekennzeichnet, dass während zumindest eines Teils der Abtragungsphase eine Unterbrechung der Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit Hilfsstrom vorgenommen wird und der Hauptstromkreis und der Pilotlichtbogenstromkreis mit dem Hauptstrom versorgt wird.
Das Verfahren der Erfindung umfasst eines oder mehrere der folgenden Merkmale:
- die Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit dem Hauptstrom wird während der ganzen Abtragungsphase aufrechterhalten;
- während der Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit dem Hauptstrom lässt man den Hauptstrom sich auf natürliche Weise in dem Pilotlichtbogenstromkreis und dem Hauptstromkreis in Abhängigkeit von den diesen Stromkreisen entsprechenden Impedanzen verteilen;
- während der Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit dem Hauptstrom weisen die Hauptstromquelle und die Hilfsstromquelle eine Betriebsweise auf, die einem Reihenbetrieb entspricht;
- während der Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit dem Hauptstrom liefert die Hauptstromquelle einen Hauptstrom von mindestens 100 A, vorzugsweise von 150 bis 300 A;
- die Dauer der Abtragungsphase ist kleiner als die Dauer der Schweißphase;
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Plasmalichtbogenschweißen mit:
- einem Plasmabrenner mit einer Schweißdüse, die mit einer Elektrode versehen ist,
- Mitteln zur Versorgung des Brenners mit Plasmagas,
- zumindest einer Hauptstromquelle mit veränderlicher, programmierbarer, schaltbarer oder steuerbarer Polarität,
- einem Hauptstromkreis,
- zumindest einer Hilfsstromquelle,
- einem Pilotlichtbogenstromkreis,
- Mitteln zur Zündung eines Pilotlichtbogens zwischen der Elektrode und der Düse,
- Mitteln zur Überleitung von einem Pilotlichtbogen zu einem Hauptlichtbogen,
- Steuerungsmitteln, die es gestatten, die Polarität des Hauptstroms zwischen einer ersten Strompolarität, die einer Abtragungsphase entspricht, und zumindest einer zweiten Strompolarität, die einer Schweißphasenpolarität entspricht, zyklisch wechseln zu lassen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie
- Schaltmittel umfasst, die es gestatten, während zumindest eines Teils der Abtragungsphase eine Unterbrechung der Hilfsstromversorgung des Pilotlichtbogenstromkreises vorzunehmen und für die Versorgung des Hauptstromkreises und des Pilotlichtbogenstromkreises mit Hauptstrom zu sorgen.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer derartigen Vorrichtung bei einem Schweißvorgang eines Werkstücks, das heißt einem Element, einer Komponente, einer Struktur oder dergleichen das zumindest ein Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfasst, sowie ein Element für die Chemieindustrie, die Erdölindustrie oder Kernenergieindustrie oder für den Eisenbahntransport, den Schiffstransport, den Lufttransport, den Straßentransport oder den Raumtransport, das zumindest eine Schweißung umfasst, die durch das Verfahren der Erfindung erhalten werden kann.
Die Erfindung wird nun ausführlicher mittels einer Skizze einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und mittels Vergleichsversuchen, die mit einer derartigen Vorrichtung vorgenommen wurden, erläutert, die nur zur Veranschaulichung angegeben werden und nicht einschränkend sind.
Die einzige beigefügte Zeichnung gibt die Skizze einer Vorrichtung wieder, die zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung und zur Verifizierung seiner Wirksamkeit verwendet wird.
Genauer gesagt umfasst die Plasmalichtbogenschweißvorrichtung der einzigen beigefügten Figur einen Plasmabrenner, der mit einer Schweißdüse versehen ist, die mit Düse 1 ausgestattet ist, die eine Wolframelektrode 2 umgibt, wobei die Düse 1 selber in einer äußeren Düse 3 eingeschoben ist, die für einen ringförmigen Schutz sorgt. Versorgungsmittel 4 versorgen den Brenner mit plasmagenerierendem Gas.
Der Hauptstromkreis 6 wird durch eine Hauptstromquelle 5 mit programmierbarer, veränderlicher Polarität versorgt, die durch Steuermittel 11 gesteuert wird, wobei die Steuermittel 11 es gestatten, die Polarität des Hauptstroms zyklisch zwischen einer ersten Strompolarität, die einer Abtragungsphase entspricht, und zumindest einer zweiten Strompolarität, die einer Schweißphasenpolarität entspricht, wechseln zu lassen. Die Hauptstromquelle 5 liefert zum Beispiel einen Wechselstrom von 320 A.
Auf analoge Weise wird ein Pilotlichtbogenstromkreis 8 durch eine Hilfsstromquelle 7 versorgt.
Darüber hinaus gestatten es Mittel zur Zündung 9 eines Pilotlichtbogens, einen Pilotlichtbogen 15 zwischen der Elektrode 2 und der Düse 1 zu zünden, und Mittel zur Zündung eines Hauptlichtbogens gestatten es, einen Hauptlichtbogen 16 zwischen der Elektrode 2 und dem zu schweißenden Material 17 zu zünden, um eine Schweißverbindung 18 zu erhalten.
Während der ganzen oder eines Teils der Abtragungsphase sorgen Schaltmittel 10 für eine Unterbrechung der Hilfsstromversorgung des Pilotlichtbogenstromkreises 8 und für eine Versorgung des Hauptstromkreises 6 und des Pilotlichtbogenstromkreises 8 mit Hauptstrom.
Mit anderen Worten bewirkt der Umstand, dass der Pilotlichtbogenstromkreis 8 mit dem Hauptstromkreis 6 verbunden bleibt, während der Abtragungsphasen eine natürliche Verteilung des Hauptstroms zwischen den zwei Stromkreisen in Abhängigkeit von den ihnen eigenen Induktanzen.
Um die Wirksamkeit des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung zu verifizieren, wurden mehrere Vergleichsversuche (Versuch 1 bis 5) vorgenommen; die im Lauf dieser Versuche eingesetzten experimentellen Parameter sind in der folgenden Tabelle angegeben. Tabelle
In den Versuchen 1 bis 5 ist das verwendete ringförmige Gas ein Argon/Helium-Gemisch, wie beispielsweise das Gas INARC 6TM, und das eingesetzte plasmagenerierende Gas ist Argon, wie beispielsweise ARCAL 1TM; die Gase INARC 6TM und ARCAL 1TM werden von der Firma L'AIR LIQUIDE vertrieben. Außerdem werden die Drähte der Typen NIC10 und NIC30 durch die Firma LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE vertrieben und entsprechen Aluminiumlegierungen des Typs 110 beziehungsweise des Typs 5356.
Es wurden folgende Ergebnisse erhalten:
- Versuch 1 (Flachschweißen): Es zeigt sich, dass die Oberfläche der Schweißnaht von einem weißlichen Film bedeckt ist. Das Eindringen der Schweißung ist jedoch gleichmäßig und der Röntgenkontrolle zufolge tritt keine unerwünschte Porosität auf.
- Versuch 2 (Flachschweißen): Die Schweißung einer Aluminiumlegierung des Typs A5 erfordert die Zufuhr einer größeren Energiemenge als die einer Legierung des Typs AG4. Der Abtragungsbereich ist dennoch groß.
- Versuch 3 (Flachschweißen): Der Schweißbereich ist stabil und die Ergebnisse sind analog zu den bei Versuch 1 erhaltenen.
- Versuch 4 und 5 (Schweißung in Eckenposition): unter Berücksichtigung des Einstürzens der Metallschmelze in der Eckposition ist es vorzuziehen, große Metalldrahtdurchmesser (1,6 mm) und eine höhere Abwickelgeschwindigkeit (1,4 bis 1,8 m·min&supmin;¹) zu verwenden. Ansonsten ist die Qualität des Schweißnähte im wesentlichen äquivalent zu derjenigen der Versuche 1 bis 3 (gleiche Betriebsparameter) und die Überdicken der gegenüberliegenden/rückseitigen Nähte und der Übergänge sind zufriedenstellend. Der Porositätswert seinerseits ist im wesentlichen äquivalent zu demjenigen der Versuche 1 bis 3.
Daraus ergibt sich, dass das Verfahren der Erfindung es für eine gegebene Materialdicke gestattet, bei der Abtragung einen stabilen und wirksamen Plasmastrahl aufrechtzuerhalten, das heißt jegliche ungewollte Abtragung des zu schweißenden Materials zu vermeiden und außerdem zu Schweißnähten zu führen, die ein geringfügig oxidiertes Aussehen aufweisen und von Porosität frei sind.
Das Verfahren der Erfindung kann insbesondere zum Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit einer Dicke von 4 mm bis 10 mm oder mehr verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zum Plasmalichtbogenschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit:

- einem Schritt der Zündung eines Pilotlichtbogens zwischen einer Elektrode und einer Schweißdüse mittels eines Hilfsstroms, der von zumindest einer Hilfsstromquelle abgegeben wird und in einem Pilotlichtbogenstromkreis fließt,

- einem Schritt der Versorgung der Schweißdüse mit Plasmagas,

- einem Schritt der Zündung eines Hauptlichtbogens zwischen der Elektrode und einem zu schweißenden Material mittels eines Hauptstroms, der von zumindest einer Hauptstromquelle abgegeben wird und in einem Hauptstromkreis fließt,

- einem Schritt des zyklischen Wechselns der Polarität des Hauptstroms, um zumindest eine Phase der Abtragung des Materials mit einer ersten Strompolarität und zumindest eine Phase des Schweißens des Materials mit einer zweiten Strompolarität zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass während zumindest eines Teils der Abtragungsphase eine Unterbrechung der Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit Hilfsstrom vorgenommen wird und der Hauptstromkreis und der Pilotlichtbogenstromkreis mit dem Hauptstrom versorgt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit dem Hauptstrom während der ganzen Abtragungsphase aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit dem Hauptstrom man den Hauptstrom sich auf natürliche Weise in dem Pilotlichtbogenstromkreis und dem Hauptstromkreis in Abhängigkeit von den diesen Stromkreisen entsprechenden Impedanzen verteilen lässt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit dem Hauptstrom die Hauptstromquelle und die Hilfsstromquelle eine Betriebsweise aufweisen, die einem Reihenbetrieb entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Versorgung des Pilotlichtbogenstromkreises mit dem Hauptstrom die Hauptstromquelle einen Hauptstrom von mindestens 100 A, vorzugsweise von 150 bis 300 A, liefert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Abtragungsphase kleiner als die Dauer der Schweißphase ist.

7. Vorrichtung zum Plasmalichtbogenschweißen mit:

- einem Plasmabrenner mit einer Schweißdüse (1), die mit einer Elektrode (2) versehen ist,

- Mitteln zur Versorgung (4) des Brenners mit Plasmagas,

- zumindest einer Hauptstromquelle (5) mit veränderlicher, programmierbarer, schaltbarer oder steuerbarer Polarität,

- einem Hauptstromkreis (6),

- zumindest einer Hilfsstromquelle (7),

- einem Pilotlichtbogenstromkreis (8),

- Mitteln zur Zündung (9) eines Pilotlichtbogens (15) zwischen der Elektrode (2) und der Düse (1),

- Mitteln zur Überleitung von einem Pilotlichtbogen (15) zu einem Hauptlichtbogen (16),

- Steuerungsmitteln (11), die es gestatten, die Polarität des Hauptstroms zwischen einer ersten Strompolarität, die einer Abtragungsphase entspricht, und zumindest einer zweiten Strompolarität, die einer Schweißphasenpolarität entspricht, zyklisch wechseln zu lassen,

dadurch gekennzeichnet, dass sie

- Schaltmittel (10) umfasst, die es gestatten, während zumindest eines Teils der Abtragungsphase eine Unterbrechung der Hilfsstromversorgung des Pilotlichtbogenstromkreises (8) vorzunehmen für die versorgung des Hauptstromkreises (6) und des Pilotlichtbogenstromkreises (8) vorzunehmen und für die Versorgung des Hauptstromkreises (6) und des Pilotlichtbogenstromkreises (8) mit Hauptstrom zu sorgen.

8. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 7 bei einem Schweißvorgang eines Werkstücks, das zumindest ein Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfasst.