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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Schweißen von
metallischen Werkstücken
mit einem Plasmabrenner, wobei beim Schweißen zwischen dem Werkstück und einer
Elektrode des Plasmabrenners ein Schweißlichtbogen gezündet wird,
in den ein Schweißdraht
aus einer Drahtzuführung
zugeführt
wird, und wobei der Schweißdraht
aufgeschmolzen wird.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Schweißvorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Derartige
Schweißverfahren
sind in verschiedenen Varianten aus dem Stand der Technik bekannt.
So wird beispielsweise beim Lichtbogenschweißen ein Grundstoff des Werkstücks sowie
ein Zusatzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen, wobei der
Zusatzwerkstoff dabei als Elektrode oder aber stromlos zugeführt werden
kann.
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Aus
der
DE 37 28 473 A1 ist
eine Plasma-Heißdraht-Auftragsschweißung bekannt,
bei dem das Anschmelzen des Zusatzwerkstoffes, insbesondere eines
Schweißdrahtes,
durch einen oszillierenden, mit nicht abschmelzender Elektrode arbeitenden
Plasmabrenner mit übertragenem
Lichtbogen erfolgt. Der Zusatzwerkstoff bzw. der Schweißdraht wird
im Nachlauf des Plasmabrenners zugeführt und im direkten Stromdurchgang
mit Hilfe des Heißdrahtprinzips
unmittelbar unter der Schmelztemperatur aufgeheizt. Zur Erzielung
einer stabilen Prozessführung
werden die verfahrenstechnischen Parameter mit Hilfe eines Prozessrechners
und einer entsprechenden Software optimal aufeinander abgestimmt. Die
für das
Verfahren wesentlichen Parameter sind die Gasversorgung, die Plasmastromquelle
mit Zündeinheit,
die Pendelbewegung, die Drahtvorschubeinheit mit Richtwerk sowie
die Heißdrahtstromquelle.
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Des
Weiteren sind aus der
DE
35 35 212 A1 und der
EP 0 803 309 A1 derartige Brenneraufbauten bekannt,
bei denen an einem Brenner mit nicht abschmelzender Elektrode ein
einziger Schweißdraht zugeführt wird.
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Bei
dem ARCOTOM-Verfahren brennt beispielsweise ein Lichtbogen zwischen
zwei in einem Halter untergebrachten Wolframelektroden. Durch spezielle
Ringdüsen
wird jede Elektrode von Wasserstoff umspült, der unter Energieaufnahme
bei gleichzeitiger Elektrodenkühlung
atomar zerfällt
und sich am Rande des Lichtbogens, d. h. im Bereich der eigentlichen
Schweißstelle,
unter Wärmeabgabe
wieder zu Molekülen
vereint. Entsprechend arbeitet das Plasma-Schweißen.
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Ein
weiteres Schweißverfahren
unter Schutzgas stellt das so genannte Wolfram-Inertgas-Verfahren (WIG-Verfahren) dar.
Hier wird ein Lichtbogen mit einer nicht abschmelzenden Elektrode
aus Wolfram erzeugt, wobei zumindest zwei Schweißdrähte bzw. Zusatzstoffe über Drahtzuführungsvorrichtungen
in den Verbindungsbereich, insbesondere in den Schweißbereich
der zu verbindenden Werkstücke
zugeführt
werden.
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Beim
Lichtbogen-Plasmabrenner wird ein strömendes Gas (z. B. Argon, Stickstoff)
von einem Lichtbogen ionisiert und auf Temperaturen von 10000 bis
20000 K aufgeheizt, beim Hochfrequenz-Plasmabrenner wird das strömende Gas
durch Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes (Frequenzen
von etwa 20 MHz) ionisiert. Anwendungen neben dem Schweißen sind
u. a. das Aufspritzen von Materialien als hochtemperaturfeste Überzüge auf Werkstücken oder
das Schmelzen und Schneiden von u. a. nicht leitenden Werkstoffen.
Nachteilig ist hierbei allerdings der Umgang mit dem hochfrequenten
elektromagnetischen Feld im Hinblick auf dessen Abschirmung.
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Ein
weiteres Verfahren ist aus der
US 5,045,667 bekannt.
Dabei kommt ein Schweißbrenner
zum Einsatz, an dem ein hochfrequenter Pilotlichtbogen gezündet wird.
Dieser wiederum dient als Zündhilfe
für einen
Schweißlichtbogen.
Wenn der Schweißbrenner
an das Werkstück
herangeführt wird,
springt der Pilotlichtbogen auf dieses über und zündet den Schweißlichtbogen.
Der Pilotlichtbogen erlischt. In den Bereich des Schweißlichtbogens kann
ein Schweißdraht
vorgeschoben werden, der aufgeschmolzen wird. Wenn der Schweißbrenner nach
erfolgtem Schweißvorgang
vom Werkstück
abgehoben wird, muss der Pilotlichtbogen erneut mit Hilfe eines
Hochfrequenz-Oszillators gezündet
werden.
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Wenn
ein solcher Schweißbrenner
in eine Fertigungsstraße
integriert ist, so kann die hochfrequente Zündspannung Störungen in
Maschinensteuerungen verursachen. Aus diesem Grund werden die Schweißbrenner
in EMV-geschützten
Umhausungen betrieben. Für
den Aufbau solcher Schutzeinrichtungen ist ein hoher konstruktiver
Aufbau erforderlich.
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Aus
der
EP 0 909 605 B1 ist
ein weiterer Schweißbrenner
bekannt, bei dem ein Pilotlichtbogen zum Einsatz kommt.
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Während des
Schweißbetriebes
brennt ein Schweißlichtbogen
zwischen dem Schweißbrenner und
dem Werkstück.
Wenn nun der Schweißbrenner über einen
zulässigen
Abstandsbereich vom Werkstück
entfernt wird, erlischt der Schweißlichtbogen. Eine Rückzugschaltung
erkennt in diesem Fall ein Ansteigen der Schweißspannung und schaltet vom Schweißlichtbogenbetrieb
auf einen Pilotlichtbogenbetrieb um. Dementsprechend erlischt der
Pilotlichtbogen während
der Schweißphase
wieder.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Schweißverfahren der eingangs erwähnten Art
bereitzustellen, bei dem mit geringem Abschirmungsaufwand eine stabile
Prozessführung
mit gutem Schweißergebnis
möglich
ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es weiterhin, eine Schweißvorrichtung zur Verfügung zu
stellen, die diese Anforderungen erfüllt.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die
die Schweißvorrichtung
betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist es
also vorgesehen, dass zum Schweißen von einem Pilotlichtbogenbetrieb
auf einen Schweißlichtbogenbetrieb
umgeschaltet wird, wobei in der Zeit außerhalb des aktiven Schweißvorgangs
während
des Pilotlichtbogenbetriebs ein Pilotlichtbogen erzeugt wird, und
dass während
des Schweißlichtbogenbetriebs
der Draht im Bereich des Pilotlichtbogens gehalten wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird während
der Phasen, in denen kein Schweißlichtbogen abbrennt, ein Pilotlichtbogen
gehalten, der dann wiederum zur Zündung des Schweißlichtbogens
verwendet ist.
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Auf
diese Weise kann auf eine Zündelektronik
für den
Schweißlichtbogen
verzichtet werden, die beim Stand der Technik während des laufenden Betrieb
benötigt
wird. Darüber
hinaus muss kein gesonderter Aufwand für einen EMV-Schutz betrieben
werden. In den Zeitbereichen, in denen ein Schweißvorgang
stattfindet, wird der Schweißdraht
im Bereich des Pilotlichtbogens gehalten und dort vorgewärmt. Mit
dieser einfachen Maßnahme
wird die Gefahr der Bildung von Schweißspritzern effektiv vermindert,
so dass gute Schweißergebnisse
erzielt werden.
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Gemäß einer
Erfindungsvariante kann es vorgesehen sein, dass ein negativer Pol
der Hauptstromquelle sowie der negative Pol der zweiten Gleichstromquelle
mit der Elektrode, ein positiver Pol der Hauptstromquelle mit dem
Werkstück
und der positive Pol der zweiten Gleichstromquelle mit der Plasmadüse elektrisch
leitfähig
verbunden sind. Dies ermöglicht
einerseits eine problemlose Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten.
Andererseits können
Komponenten von anderen Schweißsystemen
in einer Anlage einfach und mit niedrigem finanziellem Aufwand miteinander
kombiniert werden. So kann beispielsweise ein herkömmlicher
Pulver-Plasmabrenner,
der lediglich geringfügig
modifiziert wurde, mit einer WIG-Stromquelle
ohne Hochfrequenz-Erzeugung betrieben werden, wobei zur Erzeugung
des Pilotlichtbogens beispielsweise eine zweite WIG-Stromquelle
verwendet werden kann.
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Mit
dem Verfahren und der Vorrichtung kann erreicht werden, dass eine
aufwendige Abschirmung, beispielsweise der Schweißkabine,
gegenüber
den sonst üblichen
Plasma-Schweißverfahren
mit Hochfrequenzanregung entfallen kann. Ein weiterer Vorteil ergibt
sich aus der Tatsache, dass während
des inaktiven Betriebs der Plasmabrenner mit dem Pilotlichtbogen
bereits auf Betriebstemperatur gehalten werden kann, da dieser ständig brennt,
so dass beim Umschalten auf den Schweißlichtbogen bessere Schweißergebnisse
erzielt werden können.
Schweißspritzer
können
beim Umschalten auf den Schweißlichtbogen
weitgehend vermieden werden.
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Dabei
kann es vorgesehen sein, dass der Pilotlichtbogen zwischen Elektrode
und einer diese umgebende Plasmadüse erzeugt wird und zum Schweißen der
Schweiß lichtbogen
zwischen der Elektrode des Plasmabrenners und dem Werkstück aktiviert wird.
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Dabei
bildet sich im Pilotlichtbogenbetrieb lediglich ein kleiner Lichtbogen
aus, der aber ausreicht, den Schweißlichtbogen zu zünden. Durch
den Schweißlichtbogen
kann dann das Werkstück
sehr schnell aufgeheizt werden.
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Als
vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn während des
Schweißlichtbogenbetriebs
ein Schweißstrom
im Bereich von 100 bis 300 A und während des Pilotlichtbogenbetriebs
ein Pilotlichtbogenstrom von kleiner 20 A eingestellt wird.
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Wird
während
des Schweißlichtbogenbetriebs
der Draht im Bereich des Pilotlichtbogens gehalten, kann damit erreicht
werden, dass bereits eine Vorwärmung
des Drahtes erfolgt. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Schweißdraht während des Schweißlichtbogenbetriebs
potentialfrei zugeführt und
während
des Schweißvorganges
stromlos gehalten wird.
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Die
vorteilhafte Ausgestaltung des Plasmabrenners sieht vor, dass die
Elektrode des Plasmabrenners eine diese umgebende Plasmadüse aufweist, über die
ein Prozessgas, beispielsweise Argon oder ein Argon-Mischgas, zuführbar ist,
und wobei die Plasmadüse
eine diese umgebende Schutzgasdüse
aufweist, über
die ein Schutzgas, z. B. Stickstoff, zuführbar ist. Mit derartigen Plasmabrennern können Temperaturen
bis zu 25000 K im Kern des Lichtbogens erzeugt werden, wobei aufgrund
der besonderen chemischen Prozessabläufe im Plasma hohe Wärmeleistungen
an das Werkstück übertragen werden
können.
Die Zuführung
von Schutzgas beim Schweißen
bewirkt, dass das Werkstück
während des
Schweißvorgangs
nicht oxidiert bzw. verzundert.
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Die
Umschaltung zwischen Pilotlichtbogenbetrieb und Schweißlichtbogenbetrieb
wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante über ein Steuerungsinterface
einer Steuereinheit durchgeführt,
so dass beispielsweise der Schweißlichtbogenbetrieb genau dann
beginnt, wenn der Plasmabrenner mittels einer Verfahrvorrichtung
bzw. einem Schweißroboter
in eine zum Schweißen
optimale Position in Bezug auf das Werkstück herangefahren wurde.
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Dabei
kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Hauptstromquelle über ein
Steuersignal von dem Steuerungsinterface ansteuerbar ist. Die zweite Gleichstromquelle
zur Versorgung des Pilotlichtbogens kann Bestandteil einer Pilot-Lichtbogensteuerung
sein, die mittels des Steuerungsinterfaces ansteuerbar ist. Die
Hauptstromquelle und die zweite Gleichstromquelle können aber
auch Bestandteil einer einzigen Versorgungseinheit sein.
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Das
Steuerungsinterface der Steuereinheit ist in bevorzugter Ausführungsvariante über einen Steuereingang
mit einer übergeordneten
Steuerung verbunden, so dass alle Parameter mit entsprechenden Schweißlisten über diese übergeordnete
Steuerung, beispielsweise eine Roboter-Steuerung, vorgegeben werden
können.
Andererseits können über dieses
Steuerungsinterface auch Zustandsmeldungen, beispielsweise Fehlermeldungen
der Sub-Komponenten der Schweißvorrichtung
an diese übergeordnete
Steuerung zurückgemeldet
werden. Dies erlaubt sowohl eine Einbindung in vollautomatisierten Roboter-Schweißstraßen als
auch eine Handschweißung,
wobei sich die Parameter für
das Handschweißverfahren
analog, beispielsweise über
Potentiometer, oder digital eingeben lassen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Steuereinheit eine Durchflusskontrolle für eine Wasserkühlung des
Plasmabrenners, eine Drahtvorschubregelung für die Drahtzuführung und
eine Gasdruck- und Durchflusskontrolle zur Regelung des Schutzgaszuflusses
bzw. des Plasmagaszuflusses auf, die mittels des Steuerungsinterfaces
ansteuerbar sind. Damit kann erreicht werden, dass alle für den Schweißbetrieb
notwendigen Parameter einerseits über das Steuerungsinterface
vorgegeben und andererseits entsprechende Zustandsmeldungen zwecks
Weitergabe an die übergeordnete
Steuerung über
das Steuerungsinterface gesammelt und aufbereitet werden können.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 ein
Blockschema einer Schweißvorrichtung
in einem Pilotlichtbogenbetrieb und
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2 einen
Ausschnitt der Schweißvorrichtung
in einem Schweißlichtbogenbetrieb.
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1 zeigt
eine Schweißvorrichtung 1 in
einer schematisierten Blockdarstellung, die einen Plasmabrenner 10 zum
Schweißen
eines metallischen Werkstückes 20 sowie
eine Steuereinheit 30 und eine Hauptstromquelle 40 zur
Versorgung des Plasmabrenners 10 aufweist.
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Der
Plasmabrenner 10 besteht aus einer im Plasmabrenner 10 zentral
angeordneten Elektrode 13, beispielsweise aus einem nicht
oder schwerschmelzbaren Material, wie beispielsweise Wolfram, die
von einer Plasmadüse 11 umgeben
ist, wobei diese eine die Plasmadüse 11 umgebende Schutzgasdüse 12 aufweist, über die
Schutzgas zuführbar
ist. In die derart ausgebildete Plasmadüse 11 wird über einen
Plasmagaszufluss 15 Argon oder eine Mischung aus Argon
und einem anderen Gas, z. B. Stickstoff, zugeführt. Die Schutzgasdüse 12 weist
einen Schutzgaszufluss 14 auf, über den das Schutzgas dem Plasmabrenner 10 zuführbar ist.
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Die
Steuereinheit 30 weist ein Steuerungsinterface 32 auf,
welches über
einen Steuereingang 31 mit einer übergeordneten Steuerung, beispielsweise einer
Roboter-Steuerung
verbunden ist. Über
dieses Steuerungsinterface 32 können alle Parameter der Schweißvorrichtung 1 mit
entsprechenden Schweißlisten
gesteuert werden. Andererseits können
auch Zustandsmeldungen bzw. Fehlermeldungen über dieses Steuerungsinterface 32 an
die übergeordnete Steuerung
zurückgeführt werden.
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Mittels
einer Durchflusskontrolle 33 kann als ein Bestandteil der
Steuereinheit 30 ein Wasserzufluss 50 für eine Wasserkühlung 17 des
Plasmabrenners 10 geregelt werden.
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Ein
weiterer Bestandteil der Steuereinheit 30 betrifft im gezeigten
Ausführungsbeispiel
eine Drahtvorschubregelung 34 für eine Drahtzuführung 16 eines
Schweißdrahtes
in den Bereich der Spitze des Plasmabrenners 10. Dabei
ist vorgesehen, dass die Drahtzuführung 16 am Plasmabrenner 10 potentialfrei
ausgeführt
ist. Der Schweißdraht
wird dabei von einer externen Drahtzuführung 60, von beispielsweise
einer Drahtrolle, der Drahtvorschubregelung 34 zugeführt.
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Zur
Regelung das Schutzgaszuflusses 14 und des Plasmagaszuflusses 15 ist
weiterhin innerhalb der Steuereinheit 30 eine Gasdruck-
und Durchflusskontrolle 35 vorgesehen, mit der ein Argon-Zufluss 70 bzw.
ein Argon-Mischgas-Zufluss 80 geregelt werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht bei dieser Art von Plasma-Schweißen vor, dass in der Zeit außerhalb
des aktiven Schweißvorgangs
während
eines Pilotlichtbogenbetriebs ein Pilotlichtbogen 18 zwischen
der Elektrode 13 und der Plasmadüse 11 erzeugt wird
und zum Schweißen
auf einen Schweißlichtbogen 19 (in 2 dargestellt)
zwischen der Elektrode 13 des Plasmabrenners 10 und dem
Werkstück 20 umgeschaltet
wird, in den der Schweißdraht
aus der Drahtzuführung 16 zugeführt wird,
wobei der Schweißdraht
unter dem Schutzgas aufschmelzen kann. Der Schweißdraht wird
während des
Schweißlichtbogenbetriebs
potentialfrei zugeführt
und wird während
des Schweißvorganges stromlos
gehalten.
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Kennzeichnend
für die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Schweißvorrichtung 1 ist
eine Pilot-Lichtbogensteuerung 36, die neben der Hauptstromquelle 40 eine
zweite Stromquelle aufweist, mit der ein Pilotlichtbogen 18,
welcher ständig
innerhalb der inaktiven Zeitabschnitte zwischen der Elektrode 13 und
der diese umgebende Plasmadüse,
als Gegenelektrode, brennt. Der negative Pol der Hauptstromquelle 40 sowie
der negative Pol der zweiten Gleichstromquelle sind dabei mit der
Elektrode 13 verbunden. Der positive Pol der Hauptstromquelle 40 ist
mit dem Werkstück 20 und
der positive Pol der zweiten Gleichstromquelle ist mit der Plasmadüse 11 elektrisch
leitfähig
verbunden.
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Die
zweite Gleichstromquelle zur Versorgung des Pilotlichtbogens 18 als
Bestandteil der Pilot-Lichtbogensteuerung 36 ist mittels
des Steuerungsinterfaces 32 ansteuerbar. Die Hauptstromquelle 40 kann über ein
Steuersignal 37 von dem Steuerungsinterface 32 angesteuert
werden. In einer nicht gezeigten Ausführungsvariante kann die Hauptstromquelle 40 und
die zweite Gleichstromquelle auch als eine Einheit ausgeführt sein,
wobei durch das Steuersignal 37 die Betriebsart zwischen
Pilotlichtbogenbetrieb und Schweißlichtbogenbetrieb umgeschaltet
wird.
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Während der
Pilotlichtbogenphase wird der Plasmabrenner 10 über die
Pilot-Lichtbogensteuerung 36 aus
der zweiten Gleichstromquelle mit Gleichstrom versorgt. Dabei wird
ein typischer Pilotlichtbogenstrom 38 von kleiner 20 A,
typisch im Bereich von 12 A bei einer Gleichspannung von etwa 80 V
eingestellt. Von der Hauptstromquelle 40 erfolgt während dieser
Betriebsphase kein Stromfluss, wie dies in 1 dargestellt
ist.
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Mittels
des Steuerungsinterfaces 32 der Steuereinheit 30 können die
Durchflusskontrolle 33 für die Wasserkühlung 17 des
Plasmabrenners 10, die Drahtvorschubregelung 34 für die Drahtzuführung 16 und
die Gasdruck- und Durchflusskontrolle 35 zur Regelung des
Schutzgaszuflusses 14 bzw. des Plasmagaszuflusses 15 angesteuert
werden bzw. Fehlermeldungen dieser Komponenten zusammengefasst,
ausgewertet und an die übergeordnete Steuerung
zurückgemeldet
werden. Die oben genannten Komponenten der Steuereinheit 30 können dabei
auch als Bestandteil anderer Subsysteme innerhalb der Schweißvorrichtung 1 ausgeführt sein.
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In 2 ist
die Schweißvorrichtung 1 aus 1 ausschnittsweise
im Schweißlichtbogenbetrieb
gezeigt. Die Umschaltung zwischen Pilotlichtbogenbetrieb und Schweißlichtbogenbetrieb
erfolgt mittels des Steuerungsinterfaces 32 der Steuereinheit 30 über das
Steuersignal 37.
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In
diesem Betriebszustand wird der Plasmabrenner 10 direkt
von der Hauptstromquelle 40 mit Gleichspannung versorgt,
wobei sich ein Schweißstrom 41 von
etwa 100 A bei angelegten ca. 80 V Gleichspannung einstellen kann.
Der Schweißstrom 41 kann
bis zu 300 A betragen.
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Zwischen
dem Werkstück 20 und
der Elektrode 13 des Plasmabrenners 10 brennt
in dieser aktiven Schweißphase
ein intensiver Schweißlichtbogen 19,
der das Werkstück 20 und
den Schweißdraht sehr
schnell aufschmelzen kann.
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Mit
dem Verfahren und der oben beschriebenen Schweißvorrichtung 1 kann
erreicht werden, dass eine aufwendige Abschirmung, wie diese bei den
sonst üblichen
Plasma-Schweißverfahren
mit Hochfrequenzanregung erforderlich sind, entfallen kann. Ein
weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass während des
inaktiven Betriebs der Plasmabrenner 10 mit dem Pilotlichtbogen 18 bereits
auf Betriebstemperatur gehalten werden kann, so dass beim Umschalten
auf den Schweißlichtbogen 19 bessere
Schweißergebnisse
erzielt werden können.