Beschreibung

Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Stichlochschweißen bei dem eine nichtabschmelzende Elektrode eingesetzt wird, wobei zumindest ein Plasmagas und ein Schutzgas zugeführt werden, wobei ein auf das zu schweißende Werkstück gerichteter und von Schutzgas umhüllter Plasmastrahl ausgebildet wird.

Schweißen bezeichnet das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme oder Druck. Dabei können bei den bekannten Schweißverfahren Schweißzusatzwerkstoffe zum Einsatz kommen. Für Metalle werden meist

Schmelzschweißverfahren mit Wärmezufuhr eingesetzt. Diese könne jedoch auch beim Schweißen von Glas oder für thermoplastische Kunststoffe angewandt werden.

Beim Schmelzschweißen wird üblicherweise mit örtlich begrenztem Schmelzfluss ohne Anwendung von Kraft geschweißt.

Das Verbinden der Bauteile erfolgt bei den bekannten Verfahren in der Regel in einer Schweißnaht oder in einem Schweißpunkt.

Eine besonders interessante Gruppe der Schweißverfahren stellt das sog. Schutzgasschweißen dar. Das Schutzgasschweißen gliedert sich in mehrere voneinander klar zu trennende, verschiedene Verfahren. Beispielhaft seien hier das Metallschutzgasschweißen (MSG-Schweißen), das Wolfram-Inertgasschweißen und das Plasmaschweißen genannt.

Unter den Schutzgasschweißverfahren nimmt das Plasmaschweißen eine besondere Stellung ein. Das Plasmaschweißen ist mit einer höheren Energiekonzentration verbunden als viele der Konkurrenzverfahren.

Beim Plasmaschweißen dient ein Plasmastrahl als Wärmequelle. Der Plasmastrahl wird durch Ionisation und Einschnüren eines Lichtbogens erzeugt. Dieser brennt häufig zwischen einer nichtabschmelzenden negativen (Wolfram-) Elektrode und dem Werkstück als sog. Hauptlichtbogen (direkt übertragener Lichtbogen). Zusätzlich kann

für den Zündvorgang zwischen einer nichtabschmelzenden negativen (Wolfram- )Elektrode und einer als Düse ausgebildeten Anode ein Pilotlichtbogen eingesetzt werden. Es wird mittels des Plasmagases ein auf das Werkstück gerichteter Plasmastrahl ausgebildet, der z.B. entlang eines gewünschten Schweißnahtverlaufs bewegt werden kann. Beispielsweise durch einen die Elektrode konzentrisch umgebenden Plasmabrenner werden bis zu drei Gase oder Gasgemische zugeführt, nämlich das Plasmagas, das Fokussiergas zum Einschnüren des Plasmastrahls und das Schutzgas. Der Volumenstrom jeder Gasart ist dabei zeitlich konstant.

Bei den herkömmlichen Verfahren wird der Plasmastrahl und ggf. das Fokussiergas von Schutzgas umhüllt. Der Einsatz von Schutzgas dient unter anderem dazu, dass die Schmelze während des Schweißvorgangs vor Oxidation geschützt wird.

Das Plasma-Stichlochschweißen stellt eine Variante des Plasmaschweißens dar. Das Plasma-Stichlochschweißen wird bis zu einer Blechdicke von 8 bis 10 mm eingesetzt, nicht jedoch bei einer Belchdicke unter 3 mm. Dieses Verfahren findet hauptsächlich Anwendung im Behälter- und Apparatebau und im Rohrleitungsbau.

Beim Plasma-Stichlochschweißen durchstößt der Plasmastrahl zu Beginn des Schweißvorgangs die gesamte Werkstückdicke. Dabei wird das durch Aufschmelzen des Werkstücks entstehende Schmelzbad vom Plasmastrahl zur Seite gedrückt. Die Oberflächenspannung der Schmelze verhindert ein Durchfallen durch das Stichloch. Stattdessen fließt die Schmelze hinter der sich bildenden Schweißöse wieder zusammen und erstarrt zur Schweißnaht.

Beim üblichen Plasma-Stichlochschweißen handelt es sich also um ein Verfahren, bei dem eine nichtabschmelzende und von einem Plasmabrenner konzentrisch umgebene Elektrode eingesetzt wird, wobei über den Plasmabrenner zumindest ein Plasmagas und ein Schutzgas zugeführt werden, wobei durch Ionisation des Plasmagases mit Hilfe eines Pilotlichtbogens oder einer Hochfrequenzzündung und Einschnüren des Plasmagases mit Hilfe einer gekühlten Düse ein auf das zu schweißende Werkstück gerichteter und von Schutzgas umhüllter Plasmastrahl ausgebildet wird, der die gesamte Werkstückdicke durchstößt, das durch Aufschmelzen des Werkstücks entstehende Schmelzbad zur Seite drückt, wobei durch die Oberflächenspannung der Schmelze ein Durchfallen durch das Stichloch verhindert wird, und die Schmelze hinter

der sich bildenden Schweißöse wieder zusammenfließen und zur Schweißnaht erstarren lässt.

In den bekannten Verfahren wird der Schweißstrom (I) entweder konstant gehalten oder es wird mit pulsierendem Schweißstrom geschweißt. In diesem Fall setzt sich jede Periode aus einer Impulsstromphase (Hochstromphase) und einer Grundstromphase (Niedrigstromphase) zusammen.

Mit zunehmender Blechdicke reduziert sich die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit erheblich. Desweiteren ist die sichere und stabile Ausbildung des Stichloches unter praxisrelevanten Bedingungen wie z.B. bei langen Lichtbogenzeiten, unterschiedlichen Belchoberflächen, nicht-optimalem Masseanschluss u.a. mit Schwierigkeiten verbunden, insbesondere beim Plasma- Stichlochschweißen von Baustahl.

Bekannt ist es auch, beim Plasmaschweißen und Plasmastichlochschweißen das Plasmagas zu pulsen. So offenbart beispielsweise die EP 257766 ein Verfahren zum Plasmaschneiden, bei dem der Gasfluss derartig getaktet wird, dass durch die mit der Modulation des Gasflusses einhergehende Modulation der Leistungsdichte des Plasmastrahls zum Erlangen einer Perforierung genutzt wird, wobei dieses Verfahren nicht nur zum Perforieren sondern auch zum Plasma-Punktschweißen verwendet werden kann.

Auch die EP 689896 beinhaltet ein Verfahren zum Plasma- und Plasmastichlochschweißen, bei dem die Flussrate des Plasmagases zyklisch geändert wird. Als Obergrenze für die Frequenz der Modulation des Plasmagasflusses werden 10 Hz genannt, da bei höheren Frequenzen das Schweißbad leidet.

Ferner beinhaltet auch die JP 08039259 ein Verfahren zum periodischen Variieren des Plasmagases beim Plasma- und Plasmastichlochschweißen im Impulsbetrieb, bei welchem eine niedrige und eine hohe Plasmagas-Flussrate in einem festgelegten Verhältnis zueinander stehen, wobei die Periode der Plasmagas-Flussrate-änderung jenseits einer Sekunde liegt.

Eine periodische änderung der Zusammensetzung des Schutzgases beim Schweißen offenbart die US 3484575. Ziel dabei ist es, die Vorteile des Impulsschweißens ohne

gepulste Stromquelle sondern durch Pulsen der Zusammensetzung des Schutzgases zu erreichen. Da der Lichtbogen in unterschiedlichen Medien anders brenne, werde sich durch die periodische änderung der Schutzgaszusammensetzung bei einer vorgegebenen Schweißspannung eine Modulation des Schweißstroms einstellen, heißt es in der Druckschrift. Zur Modulation der Schutzgaszusammensetzung wird für eine nicht-abschmelzende Elektrode eine Frequenz von 10 Hz emfohlen, während für eine abschmelzende Elektrode Frequenzen von 60 Hz und mehr zum Einsatz kommen können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Plasma- Stichlochschweißen zur Verfügung zu stellen, durch das die Prozesstabilität verbessert und/oder die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit erhöht wird.

Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein Gasvolumenstrom während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ändert sich also die Zusammensetzung von Plasmagas und/oder Schutzgas beim Plasmastichlochschweißen, wodurch vorteilhafterweise ein zeitlich sich verändernder Staudruck auf die Schmelze ausgeübt wird und dadurch die Schmelze in Schwingung versetzt wird.

Dadurch dass die Schmelze in Schwingung versetzt wird, erhöht sich besonders vorteilhaft die Prozesstabilität beim Zusammenfließen der Schmelze hinter dem Stichloch. Die Kinematik der Stichlochbildung wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft verändert. Des Weiteren erhöht der durch die zeitliche

Veränderung des Gasvolumenstroms pulsierende Plasmastrahl vorteilhaft die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit, mit besonderem Vorteil ohne die Streckenenergie d.h. den Energieeintrag in das Werkstück pro Länge der Schweißnaht) signifikant zu erhöhen. Als weiterer Vorteil kann z.B. durch einen zeitlich veränderlichen Gasvolumenstrom des Fokussiergases die Energiedichte des Plasmastrahls variiert werden.

Der Bezug auf eine mehrmalige zeitliche änderung soll dazu dienen die vorliegende Erfindung von einfachen Aus- und Einschaltvorgängen am Beginn und am Ende eines Schweißprozesses klar abzugrenzen.

Vorteilhafterweise erfolgt die änderung des Gasvolumenstroms von Plasmagas (PG) und/oder Schutzgas (SG) mit einer Frequenz, welche mindestens 12 Hz, bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz beträgt. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich in ausgeprägter Weise bis hin zu Frequenzen von 200 Hz, besonders ausgeprägt bis 100 Hz und insbesondere bis 80 Hz. Es hat sich insbesondere für das Plasmagas gezeigt, dass bei Frequenzen, die über den vorgenannten Untergrenzen liegen, sich das Plasma infolge seiner Trägheit nahezu kontinuierlich kontrahiert. Die Kontraktion führt zu einer Erhöhung der Energiedichte und daraus resultierend zu einer Erhöhung der verschweißbaren Blechdicke oder zu einer Erhöhung der maximalen Schweißgeschwindigkeit, ohne die Streckenenergie signifikant zu erhöhen.

Mit besonderem Vorteil wird über den Plasmabrenner zusätzlich ein Fokussiergas zugeführt, durch das üblicherweise das Plasmagas weiter eingeschnürt wird, wobei das Plasmagas und das Fokussiergas von Schutzgas umhüllt werden.

Zweckmäßigerweise wird der Plasmagasvolumenstrom oder der Fokussiergasvolumenstrom über die Zeit verändert. Bevorzugt werden der Plasmagasvolumenstrom und der Fokussiergasvolumenstrom zeitlich verändert.

Beides kann mit oder ohne eine zeitliche Veränderung des Schutzgasvolumenstroms durchgeführt werden.

Vorteilhafterweise erfolgt auch die änderung des Gasvolumenstroms des Fokussiergases (FG) mit einer Frequenz, welche mindestens 12 Hz ₁ bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz beträgt. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich in ausgeprägter Weise bis hin zu Frequenzen von 200 Hz, besonders ausgeprägt bis 100 Hz und insbesondere bis 80 Hz.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Plasmagas und/oder das Fokussiergas und/oder das Schutzgas mindestens ein Gas aus der Gruppe von Argon, Helium, Stickstoff und Wasserstoff enthält. Bevorzugt werden demnach als Plasmagas und/oder als Fokussiergas und/oder als Schutzgas Gase oder Gasgemische verwendet, die mindestens ein Gas aus der genannten Gruppe enthalten. Die Festlegung des geeigneten Gases bzw. des geeigneten Gasgemisches

erfolgt in Abhängigkeit von der Schweißaufgabe, besonders unter Berücksichtigung des zu schweißenden Grundwerkstoffs und etwaiger Zusatzwerkstoffe. Es kommen sowohl die Reingase als auch Zwei-, Drei- und Mehr-Komponenten-Gemische vorteilhaft zum Einsatz. In vielen Fällen haben sich auch dotierte Gasgemische als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei dotierte Gasgemische Dotierungen mit aktiven Gasen im vpm-Bereich aufweisen, d.h. die Dotierung erfolgt bevorzugt im Bereich von weniger als 2,5 Volumenprozent, meist weniger als 0,1 Volumenprozent. Als Dotiergase können aktive Gase wie z.B. Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Lachgas (Distickstoffmonoxid) oder Stickstoff eingesetzt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom und der Fokussiergasvolumenstrom synchron zueinander zeitlich verändert.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom und der Fokussiergasvolumenstrom zueinander phasenverschoben zeitlich verändert werden.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mit pulsierendem Schweißstrom (Impulsstrom) geschweißt wird, wobei jede Periode aus einer Impulsstromphase (Hochstromphase) und einer Grundstromphase

(Niedrigstromphase) zusammengesetzt wird. Beim Schweißen mit pulsierendem

Schweißstrom (Impulsstrom) kann mit besonderem Vorteil der

Plasmagasvolumenstrom (V _PG ) und/oder der Fokussiergasvolumenstrom (V _FG ) synchron oder phasenverschoben zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.

Es kann jedoch für bestimmte Anwendungen auch besonders vorteilhaft sein mit

Konstantstrom anstatt mit Impulsstrom zu schweißen.

Beim Schweißen mit Impusstrom werden der Plasmagasvolumenstrom und/oder der Fokussiergasvolumenstrom bevorzugt synchron zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Plasmagasvolumenstrom und/oder der Fokussiergasvolumenstrom zum Impulsstromverlauf phasenverschoben zeitlich verändert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht zusätzlich vor, dass die Zusammensetzung der Gasmischung während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert wird. Bevorzugt wird der Heliumanteil und/oder der Wasserstoffanteil in der Gasmischung zeitlich verändert wird. Dabei sind hier das Plasmagas und/oder das Fokussiergas und/oder das Schutzgas als Gasmischung angesprochen.

Beispielsweise wird die Zusammensetzung des Schutzgases während des Schweißvorgangs mehrmals zeitlich verändert.

Bevorzugt wird die Zusammensetzung des Plasmagases und des Fokussiergases synchron zueinander zeitlich verändert wird.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Zusammensetzung des Plasmagases und des Fokussiergases zueinander phasenverschoben zeitlich verändert.

Besonders bevorzugt wird die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder des Fokussiergases synchron zur änderung der Zusammensetzung des Schutzgases zeitlich verändert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder die Zusammensetzung des Fokussiergases synchron zum Impulsstromverlauf zeitlich verändert werden.

Gemäß einer anderen günstigen Ausgestaltung der Erfindung werden die Zusammensetzung des Plasmagases und/oder die Zusammensetzung des Fokussiergases zum Impulsstromverlauf phasenverschoben zeitlich verändert.

Zweckmäßigerweise wird die zeitliche Veränderung des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung zumindest zum Teil durch ein Rechteckprofil dargestellt.

Mit besonderem Vorteil verläuft die zeitliche Veränderung des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung nach einem modifizierten Rechteckprofil, das abgeschrägte Schultern aufweist.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zeitliche Veränderung des Volumenstroms und/oder der Zusammensetzung zumindest zum Teil durch ein Dreieckprofil oder ein sinusförmiges Profil dargestellt wird.

Durch geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann der Schweißprozess mit besonderem Vorteil aufgabenspezifisch optimiert werden.

Die änderung der Zusammensetzungen wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung synchron zur änderung des Gasvolumenstroms stattfinden. In anderen Fällen kann es jedoch auch von Vorteil sein, Gasvolumenstrom und Zusammensetzung phasenverschoben zueinander zu ändern. Möglich ist es auch Gasvolumenstrom und Zusammensetzung mit unterschiedlichen Frequenzen zu pulsen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die einfachsten Möglichkeiten zur änderung eines

Gasvolumenstroms darin bestehen, entweder den Fluss zu ändern oder einen zweiten Gasstrahl mit gleicher Gaszusammensetzung zu- beziehungsweise wegzuschalten. Eine Veränderung der Zusammensetzung ist durch Zufuhr eines anderen Gases oder anderen Gasmischung möglich, oder durch Zuschalten eines zweiten/weiteren Gases (oder Gasmischung) möglich. Folglich beträgt die Frequenz, mit der die

Zusammensetzung von Plasmagas und/oder Fokussiergas und/oder Schutzgas gepulst wird, vorteilhafterweise ebenfalls mindestens 12 Hz, bevorzugt mindestens 15 Hz, besonders bevorzugt mindestens 20 Hz. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich ebenfalls in ausgeprägter Weise bis hin zu Frequenzen von 200 Hz, besonders ausgeprägt bis 100 Hz und insbesondere bis 80 Hz.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dem Pulsen mindestens eines Gasvolumenstroms mit den vorgenannten (niederigen) Frequenzen mit einem weiteren, hochfreuenten Pulsen überlagert. Mit besonderen Vorteilen handelt es sich bei dem Hochfrequenz-Pulsen um ein reines Volumenpulsen, jedoch kann es sich beim Hochfrequenz-Pulsen um ein Pulsen der Zusammensetzung oder um ein Pulsen von Volumen und Zusammensetzung handeln. Vorteilhafterweise findet jedoch neben dem niederfrequenten Pulsen des Gasvolumenstroms nur ein hochfrequentes Pulsen des Gasvolumenstroms statt. Betroffen von dem zusätzlichen Hochfrequenz-Pulsen können Plasmagas und/oder Fokussiergas und/oder Schutzgas sein. Dieses

zusätzliche Hochfrequenz-Pulsen kann während der gesamten Periode des (niederfrequenten) Pulsen erfolgen oder auch nur während einer gewissen Zeitspanne innerhalb der Periode. Die Frequenzen für das Hochfrequenz-Pulsen des Gasvolumenstroms und/oder Zusammensetzung liegen im Bereich von 100 bis 10000 Hz, vorzugsweise von 250 bis 8000 Hz und besonders bevorzugt von 500 bis 5000 Hz. Zum Beispiel kann mit besonderem Vorteil einem niederfrequenten Impuls des Gasvolumenstroms des Plasma- und/oder des Fokussiergases in der Hochphase und/oder in der Niedrigphase ein hochfrequentes Pusieren des Plasma- und/oder des Fokussiergases überlagert werden.

Vorteilhafterweise wird der änderung mindestens eines Gasvolumenstroms mit Frequenzen 12 bis 200 Hz eine zusätzliche hochfrquente änderung mit Frequenzen bis zu 10000 Hz, vorzugsweise bis zu 8000 Hz überlagert.

Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen, von denen im Folgenden nur einige beispielhaft genannt werden:

Dadurch dass die Schmelze in Schwingung versetzt wird, erhöht sich besonders vorteilhaft die Prozesstabilität beim Zusammenfließen der Schmelze hinter dem Stichloch. Des Weiteren erhöht der durch die zeitliche Veränderung des

Gasvolumenstroms pulsierende Plasmastrahl vorteilhaft die maximal realisierbare Schweißgeschwindigkeit, mit besonderem Vorteil ohne die Streckenenergie d.h. den Energieeintrag in das Werkstück pro Länge der Schweißnaht) signifikant zu erhöhen. Durch geeignete Wahl der Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann der Schweißprozess mit besonderem Vorteil aufgabenspezifisch optimiert werden.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Einzelnen zeigen die Figuren

Figur 1 ein Beispiel für eine jeweils phasenverschobene zeitliche änderung des Plasmagasvolumenstroms und des Fokussiergasvolumenstroms bei einem gepulsten Schweißstrom,

Figur 2 ein Beispiel für eine synchrone zeitliche änderung des

Plasmagasvolumenstroms und des Fokussiergasvolumenstroms bei einem gepulsten Schweißstrom.

In beiden Figuren 1 und 2 ist auf der x-Achse der Darstellungen die Zeit angetragen. In y-Richtung sind im Einzelnen folgende Größen angetragen: Schweißstrom I, Plasmagasvolumenstrom VS _PG und Fokussiergasvolumenstrom VS _FG -

In beiden Figuren sind den sog. großen, niederfrequenten Pulsen des Plasmagasvolumenstroms VS _PG und des Fokussiergasvolumenstroms VS _FG mit ausgeprägter Amplitude sog. kleine, hochfrequente Pulse mit kleiner Amplitude überlagert. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft.

In der Figur 2 sind alle gezeigten Amplitudenänderungen zueinander synchron.

Die Figuren 1 und 2 sind als schematische Beispiele für die beschriebenen zeitlichen änderungen des Gasvolumenstroms zu betrachten. Die Formen für die Verläufe von Schweißstrom, Plasmagasvolumenstrom und Fokussiergasvolumenstrom sind hier nur schematisch angegeben. Sie können den aufgabenspezifischen Anforderungen von konkreten Schweißaufgaben Rechnung tragende Anstiegsgeschwindigkeiten,

Abfallgeschwindigkeiten, Zwischenimpulse und Schultern (z.B. beim übergang von der Hochphase zur Niedrigphase) aufweisen.