DE935688C - Lichtbogen-Schutzgas-Schweissgeraet mit magnetischer Ablenkung des Lichtbogens - Google Patents

Description

Die Erfindung behandelt ein Gerät zur elektrischen Schutzgaslichtbogenschweißung, bei dem der Lichtbogen mittels eines Magnetfeldes abgelenkt wird.

Die magnetische Ablenkung des Lichtbogens in Schweißrichtung zur Steigerung der Schweißgeschwindigkeit ist an sich bekannt. Man erzeugt hierzu ein magnetisches Querfeld zum Lichtbogen durch beiderseits des Lichtbogens angeordete Magnete. Diese Anordnung hat jedoch eine Reihe von Nachteilen. Permanentmagnete z. B. verlieren durch die hohe Lichtbogentemperatur rasch ihre Feldstärke. Außerdem muß man die Magnete jedesmal umsetzen, wenn man die Richtung des Schweißstromes umpolt. Permanentmagnete sind außerdem für das Schweißen mit Wechselstrom ungeeignet und teuer.

Andererseits ist bereits vorgeschlagen worden, den Lichtbogen durch ein elektromagnetisches Feld zu beeinflussen, welches durch eine die Elektrode in ao der Nähe des Lichtbogens umgebende Spule erzeugt wird. Um zu vermeiden, daß die Spule die Beobachtung der Schweißnaht verhindert, kann sie am oberen Ende eines die Elektrode umgebenden Eisenrohres angebracht werden, wodurch das elektromagnetische Feld in die unmittelbare Nähe des Lichtbogens geleitet wird. Derartige Einrichtungen machen jedoch das Schweißgerät erheblich schwerer und stören seine Gewichtsverteilung, so daß seine Handhabung wesentlich schwieriger wird; außer-

dem erhöht die verhältnismäßig teure Spule die Kosten des Geräts bedeutend.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie ist gerichtet auf ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät mit magnetischer Ablenkung des Lichtbogens, bei dem durch den Ringraum zwischen Elektrode und Düse ein Schutzgas über den Lichtbogen und die Schweißzone ausströmt, und besteht darin, daß ein geschlitzter Ring aus magnetisierbarem Stoff ίο an der Gasausströmöffnung der Düse befestigt ist. Dadurch wird eine unterbrochene Bahn hoher Permeabilität für das die Elektrode in der Nähe des Lichtbogens umgebende elektromagnetische Feld gebildet. Der Werkstoff des Schlitzrings kann entweder nur vorübergehend oder permanent magnetisierbar sein. Der Ring sitzt so· an der Düse, daß sein Schlitz hinter der Elektrode liegt, wenn man die Elektrode längs des Werkstücks vorwärts führt. Obwohl die Düsenmündung im allgemeinen ringförmig ist, läßt sich die Erfindung natürlich ebensogut bei Schweiß geräten mit anderen Düsenformen, z. B. Ovaldüsen, anwenden.

Durch die neuartige Anordnung des geschlitzten magnetischen Rings wird der Lichtbogen günstig abgelenkt, die Schweißgeschwindigkeit für Schweißarbeiten an dünnem, rostfreiem Stahl mit Helium und Argon als Schutzgas erheblich gesteigert und das Schweiß verfahren besonders für das Arbeiten mit Argon geeignet. Das Schweißgerät nach der Erfindung läßt sich leicht herstellen und für Wechselstrom und Gleichstrom beliebiger Polung verwenden. Düsen mit solchen Schlitzringen lassen sich unbegrenzt lagern, ohne daß der Schlitzring an Wirksamkeit verliert. Der Schlitzring liegt außerdem außerhalb des hohen Lichtbogentemperaturbereichs und wird dadurch in seinen magnetischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Die Herstellung solcher Ringe ist verhältnismäßig billig.

Die Zeichnung bringt einige Ausführungsbeispiele für das Schweißgerät nach der Erfindung.

Fig. ι zeigt eine Seitenansicht, zum Teil im Schnitt, vom Schweißgerät; der Abstand zwischen Schweißgerät und Werkstück ist dabei etwas übertrieben dargestellt;
Fig. 2 zeigt das Schweißgerät von unten her;

Fig. 3 zeigt eine Ovaldüse in Seitenansicht, zum Teil im Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 4;

Fig. 4 zeigt die Ovaldüse nach Fig. 3 von unten her;

Fig. S ist eine weitere Seitenansicht der Ovaldüse, zum Teil im Schnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 3 und 4;

Fig. 6 ist eine Seitenansicht einer zylindrischen . - Düse, zum Teil im Schnitt nach der Linie 6-6 von Fig. 7 mit weiteren Abänderungen;

Fig. 7 ist eine Seitenansicht der Düse nach Fig. 6 von unten her.

Nach der Fig. 1 befindet sich ein Schweißgerät' 10 zum Lichtbogenschweißen mit Gasschutz über dem Werkstück 12 und zieht unter der Elektrode 16 einen Lichtbogen 14. Elektrode und Werkstück sind dabei in einen Schweißstromkreis eingeschaltet. Das Schweißgerät 10 besteht aus einem rohrförmigen Körper 17 und einer Düse 18. Die Düse 18 ist mit einer Gewindemutter 20 am unteren Ende des Rohrkörpers 17 befestigt. Der Rohrkörper 17 ist in der üblichen Weise ausgeführt und führt axial darin angeordnet die Elektrode 16. Die Düse 18 liegt als Ring mit Abstand um die Elektrode 16 und bildet mit der Elektrode einen Ringkanal 21, durch den das Schutzgas aus dem Innern des Rohrkörpers 17 längs des Lichtkanals 21 nach unten strömt, die Düse verläßt, über das Werkstück strömt und dabei die Schweiß zone während des Schweiß Vorganges von der Außenluft abschirmt, wenn sich Werkstück und Schweißgerät während des Schweißens gegeneinander in der Schweißrichtung verschieben.

Die Elektrode 16 kann aus schwer schmelzbarem Metall, z. B. aus Wolfram, bestehen. Sie kann jedoch auch aus einem Metall bestehen, das dem Metall des Werkstücks entspricht und beim Schweißen verbraucht wird. Besteht die Elektrode aus magnetischem Stoff, dann entmagnetisiert man sie zweckmäßig, bevor sie in den Ring eintritt. Die Entmagnetisierung kann z. B. dadurch erfolgen, daß die Elektrode durch eine Spule tritt, die mit Wechselstrom erregt ist. Als Schutzgas verwendet man die üblichen Gasarten, vorzugsweise träge einatomige Gase, wie z. B. Argon oder Helium oder Mischungen davon.

Die Düse 18 besteht aus nichtmagnetischem Material oder nichtmagnetischem Metall, wie z. B. Kupfer, und hat eine zylindrische Mündung, die mit einem geschlitzten und magnetisierbaren Ring 26 versehen ist. Der Schlitzring 26 besitzt einen Schlitz, der mit nichtmagnetischem Stoff oder Metall 28 ausgefüllt ist, und ist an der Düsenmündung mit Silber verlötet. Für den Schlitzring 26 kann man weiches Eisen oder Stahl benutzen oder einen Permanentmagnet oder Mischungen davon. Um höhere Permeabilitäten oder höhere Sättigungsgrade zu erzielen, kann man auch andere Stoffe, die das magnetische Feld verstärken, benutzen; hierzu dienen z. B. Kobalt oder Nickeleisen und Eisen-S ilizium-Verbindungen,

Die von einem bestimmten Strom erzeugte und in einem bestimmten Abstand gemessene Flußdichte hängt von der Permeabilität des umgebenden Mediums ab. Wenn der magnetisierbare Schlitzring 26 aus einem Material hoher Permeabilität, wie z. B. weichem Eisen, besteht, dann induziert der durch die Elektrode 16 fließende Schweiß strom im Schlitzring ein Magnetfeld und verwandelt den Weicheisenring in einen kräftigen Magnet.

Zum Schweißen schließt man Werkstück 12 und Elektrode 16 an einen Schweiß Stromkreis an und zieht den Lichtbogen 17. Zugleich strömt aus der Düse 18 über den Lichtbogen und das benachbarte und unter dem Lichtbogen geschmolzene Metall das Schutzgas aus. Der Schlitzring wird unter der Wirkung der stromdurchnossenen Elektrode magnetiiert und bildet einen kräftigen Fluß aus. Infolge des plötzlichen Permeabilitätssprungs im Schlitz wird die Symmetrie des Magnetfeldes in der Nähe des Lichtbogens so gestört, daß der Lichtbogen

nach vorn in der Schweiß richtung abgelenkt wird, sobald sich das Schweißgerät io längs der Schweißbahn schnell fprtbewegt.

Die Ausrüstung der Düse mit einem geschlitzten magnetisierbaren Ring bringt gegenüber den bekannten Düsen eine Reihe von Vorteilen. Da die Polarität des Ringes durch die Richtung des Schweiß stromes bestimmt wird und die Richtkraft für den Lichtbogen das Vektorprodukt von Schweißstrom und Magnetfeld ist, bleibt die Bogenablenkung unbeeinflußt vom Wechsel der Stromrichtung. Der magnetisierbare Schlitzring ist deshalb gleichermaßen für Wechselstrom als auch für Gleichstrom beliebiger Polung verwendbar und verlangt keine Änderung seiner Lage an der Düse, wenn man die Stromart oder Stromrichtung wechselt. Der Schlitzring ist außerdem gegen hohe Temperaturen verhältnismäßig unempfindlich. Die absolute obere Temperaturgrenze bestimmt sich beim Schlitzring aus dem Curie-Punkt des jeweilig verwendeten Metalls. Bei Weicheisen z. B. beträgt der Curie-Punkt etwa 760⁰ C.

In bestimmten Fällen können durch Düsen mit zylindrischer Bohrung Schwierigkeiten für die gleichzeitige Erzielung ausreichender Feldstärke und guten Gasschutzes entstehen, weil die Form der Befestigungsvorrichtung und der sonstigen Bauelemente den Ringdurchmesser begrenzt. Die wirksame magnetische Feldstärke steht zwar in umgekehrtem Verhältnis zum Ringdurchmesser. Mit kleinen und den erforderlichen Abstand über der Schweißfläche gestattenden Ringdurchmessern ist jedoch nur ein unbefriedigender Gasschutz verbunden. Macht man den Ringdurchmesser dagegen genügend groß, um einen ausreichenden Gasschutz zu erzielen, dann muß man das Schweißgerät so hoch über das Werkstück halten, daß die Feldstärke zur Lichtbogenablenkung nicht mehr ausreicht. Diese Schwierigkeiten lassen sich mit einer Ovaldüse 30 überwinden, deren Schlitzring 32 (Fig. 3 bis 5) ebenfalls Ovalform hat. Die Ovalform bedingt einerseits einen guten Gasschutz und andererseits auch ein ausreichend starkes Magnetfeld, um die Bogenablenkung in der Schweißrichtung in der Hand zu behalten. Mit einer Ovaldüse kann man z. B. 1,5 mm starken rostfreien Stahl Stoß an Stoß mit einer Geschwindigkeit von 190 cm je Minute mit 350 Amp. Wechselstrom oder Gleichstrom und einem Gasverbrauch von 425 1 Argon je Stunde schweißen. Für zahlreiche Maschinenschweißarbeiten eignet sich die Ovaldüse besser als die zylindrische Düse.

Die Düse 34 und der magnetisierbare Schlitzring 36 nach den Fig. 6 und 7 sind zylindrisch, haben aber gewisse Ähnlichkeit mit den Ovaldüsen nach Fig. 3 bis 5. Da die wirksame magnetische Feldstärke von der Höhe der Düse über dem Werkstück abhängig ist, gibt es eine Reihe von Fällen, in denen man das Feld verkleinern will, um übertriebene Bogenablenkungen zu vermeiden. Diese Schwierigkeit läßt sich dadurch überwinden, daß man zwar die Ringabmessungen für die unter den üblichen Arbeitsbedingungen größtmögliche Feldstärke bemißt, bei Bedarf aber einen zylindrischen. Weicheisenanker 38 auf den Schlitzring zur Feld-Schwächung aufsetzt. Durch entsprechende Einstellung des Ankers 38 längs dem Vorderteil der Düse 34 kann man die Horizontalkomponente des Magnetfeldes an der Schweißstelle dann auf den jeweils gewünschten Wert einstellen.

Die magnetische Feldstärke am Lichtbogen bestimmt sich hauptsächlich durch die Höhe des Ringes über dem Werkstück, die stoffliche Zusammensetzung des Ringes, den Luftspalt im Ring, die Wandstärke des Ringes und den Ringinnendurchmesser. Bei Weicheisenringen, und normaler Düsenhöhe über dem Werkstück ergibt sich die maximale Feldstärke mit einem verhältnismäßig kurzen Ring und einem Schlitz von 1,5 mm, bei dem der Innendurchmesser unter Berücksichtigung eines guten Gasschutzes und guter Kühlwirkung so klein wie möglich und die Wandstärke so groß wie möglich ist, um noch einen ausreichenden Abstand vom Werkstück und die einwandfreie Beobachtung der Schweiß arbeit zu gestatten.

Bei Benutzung magnetisierbarer Metallverbindungen an Stelle von Weicheisen und von kräftig permanentmagnetischen: Ringen mit Luftspalt läßt sich das Magnetfeld noch erheblich verstärken. In den meisten Fällen genügen jedoch Stahlringe. Ringe aus magnetisierbaren Metallverbindungen und permanentmagnetische Ringe sind wesentlich teurer als Stahlringe und verlangen eine sorgfältige Überwachung der Arbeitsbedingungen, damit sie ihre Wirkung auch genügend lange beibehalten. Bei der Benutzung des permanentmagnetischen Ringes mit einem Luftspalt von 1,5 mm muß man den Ring zu dem vom Schweißstrom induzierten Feld richtig einstellen, damit sich die Feldkomponenten auch richtig vektoriell addieren. Bei Gleichstrom ist die Einstellung dann richtig, wenn der Luftspalt hinter der Elektrode liegt und der Nordpol des Magneten auf der linken Seite der Elektrode liegt, wenn man in Schweißrichtung auf den Ring sieht. Falls erforderlich, kann man auch noch einen Permanentmagnet zusammen mit dem magnetischen Schlitzring als magnetischen Verstärker benutzen.

Die Erfindung ist zwar sehr einfach, gestattet aber sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten von über 5 m je Minute. Die hohe Schweißgeschwindigkeit spart wertvolles Gas, Zeit und Arbeit.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrisches Lichtbogenschweißgerät mit magnetischer Ablenkung des Lichtbogens, bei dem durch den Ringraum zwischen Elektrode und Düse ein Schutzgas über den Lichtbogen und die Schweißzone ausströmt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Düsenmündung (18, 30, 34) ein geschlitzter Ring (26, 32, 36) aus magnetisierbarem Stoff befestigt ist.

2. Schweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmündung (30) oval und der geschlitzte Ring (32) der Ovalform angepaßt ist.

3· Schweißgerät nach den Ansprüchen ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (i8, 30, 34) aus nichtmagnetischem Stoff, z. B. Kupfer, gefertigt ist.

4. Schweißgerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlitzte Ring (26, 32, 36) aus weichem Eisen oder Stahl besteht.

5. Schweißgerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlitzte Ring (26, 32, 36) aus einer magnetisierbaren Verbindung höherer Permeabilität und magnetischer Sättigung als Weicheisen besteht.

6. Schweißgerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlitzte Ring (26, 32, 36) einen Permanentmagnet enthält.

7. Schweißgerät nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Anker (38) einstellbar zum Schlitz (28) im Ring (36) befestigt ist.

8. Schweißgerät nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (26, 32, 36) derartig an der Düse (18, 30, 34) sitzt, daß der Schlitz (28) auf der Elektrodenseite sitzt, die der Bewegungsrichtung des Schweißgerätes entgegengesetzt ist.

9. Schweißgerät nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ring (26, 32, 36) durchdringende Elektrode aus unmagnetischem oder entmagnetisiertem Metall besteht.

Angezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 687 215.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 509 575 11.55