DE10354409A1

DE10354409A1 - Verfahren zum Plasmaschweißen

Info

Publication number: DE10354409A1
Application number: DE2003154409
Authority: DE
Inventors: Johann Herrmann; Hans Hohenberger
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaschweißen sowie ein hierfür geeignetes Schutzgasgemisch. DOLLAR A Erfindungsgemäß besteht das Schutzgas aus einem Gasgemisch, enthaltend Argon, Helium sowie Sauerstoff und/oder Kohlendioxid.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaschweißen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Gasgemisch zum Plasmaschweißen.
Aus Literatur und Praxis sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Schweißverfahren bekannt. Unter dem Begriff "Plasmaschweißen" seien nachfolgend das Mikroplasma-Schweißen für dünne und dünnste Blechdicken, die so genannte Durchdrücktechnik für Blechdicken von 1 bis 3 mm, das Stichlochplasma-Schweißen für größere Wanddicken bis ca. 8 mm in einer Lage, darüber hinaus mehrlagig, das Plasmapulververschweißen für Verbindungs- und Auftragsschweißen, das Plasma-Heißdraht-Auftragsschweißen und das Plasma-MIG-Schweißen als Verbindungsvertahren mit hoher Leistung zu verstehen.
Ähnlich wie beim WIG-Schweißen bildet sich auch beim Plasmaschweißen ein Lichtbogen. Im Gegensatz zum WIG-Schweißen wird der Lichtbogen beim Plasmaschweißen jedoch durch eine Schweißbrennerkonstruktion – bspw. mittels einer wassergekühlten Kupferdüse – gebündelt, woraus eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte resultiert.
Das Plasmaschweißen umfasst eine Vielzahl von Verfahrensvarianten, die sich durch die Art der elektrischen Schaltung, die Komplexität des Brenneraufbaus, die Anzahl der verwendeten Gaskomponenten, usw. unterscheiden. In jedem Fall wird beim Plasmaschweißen das so genannte Plasmagas – auch Zentrumsgas genannt – benötigt, welches entlang der heute verwendeten Wolframelektroden zugeführt wird. Dieses Plasmagas wird bei angelegter elektrischer Spannung zwischen der Elektrode und einer meist wassergekühlten Kupferdüse ionisiert; das dabei entstehende Plasma wird genutzt um die Energie auf das Werkstück zu übertragen. Wird hierbei keine Spannung am zu schweißenden Werkstück angelegt, so spricht man vom Plasmaschweißen mit nicht übertragenem Lichtbogen. Zwischen dem Brenner und dem Werkstück fließt kein Strom. Der Lichtbogen, der im Brenner zwischen der Wolframelektrode und der Kupferdüse brennt, erhitzt das Plasmagas und dieses transportiert die thermische Energie auf das Werkstück. Da kein Strom zwischen dem Brenner und dem Werkstück fließt, können damit auch nichtleitende Materialien bearbeitet werden.
Wird auch zwischen der Elektrode und dem zu schweißenden Werkstück eine Spannung angelegt, so fließt in dem erzeugten Plasma zusätzlich ein Strom zwischen Brenner und Werkstück; dieser Strom überträgt zusätzlich Energie auf das Werkstück.
Da beim Plasmaschweißen die heute verwendeten Materialien und Brenner durch oxidierende Plasmagase beschädigt würden, kommen ausnahmslos inerte bzw. reduzierende Gase und Gasgemische als Plasmagas zur Anwendung. Verwendet wird bzw. werden überwiegend Argon und Argon/Wasserstoff-Gasgemische für das Schweißen von Chromnickel-Stahl oder Nickelwerkstoffe sowie ferner Helium für das Schweißen von Aluminium oder Aluminium-Legierungen, Titan und Kupferwerkstoffen.
Neben dem Plasmagas können zusätzliche Gase bzw. Gasgemische eingesetzt werden, welche unter den Begriffen Schutz-, Einschnür-, Fokussiergas, etc. subsumiert werden. Deren Aufgabe ist es, einen größeren Schutzgasmantel um den Schweißprozess zu bilden und zudem dafür zu sorgen, dass der Lichtbogendurchmesser eingeschnürt bzw. verkleinert und dadurch die Energiedichte erhöht wird.
Im Vergleich zu den Metall-Schutzgasverfahren wird im Falle des Plasmaschweißens die thermische Energie in Form von heißem Gas bzw. einem elektrischen Lichtbogen übertragen und nicht in Form von erhitztem Material. Die Wärmekapazität von Metallen ist jedoch viel höher als die von Gasen. Wird heißes Material zugeführt, so wird damit in der Regel eine Schweißfuge verfüllt und damit ein großer Schweißquerschnitt, der für die Höhe der Verbindungsfestigkeit verantwortlich ist, erzeugt.
Beim Plasmaschweißen muss die Wärme über die Wärmeleitung und Konvektion der Schmelze in das zu schweißende Material eingebracht werden, damit dieses möglichst tief aufschmilzt und einen großen Anbindungsquerschnitt erzeugt. Auch bei Verwendung eines Stichlochs ist das Einbringen der Energie in das Bauteil bzw. Werkstück, insbesondere auch im Vergleich zu Strahlschweißverfahren, wie dem Laser- oder Elektronenstrahlschweißen, relativ aufwendig. Je langsamer und großflächiger die Energie jedoch eingebracht wird, um so mehr Energie kann über die Wärmeleitung in das Bauteil abfließen und dort in unerwünschtem Verzug resultieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie ein gattungsgemäßes Gasgemisch anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere im Vergleich zu den bekannten Verfahren bzw. Gasgemischen effizienter und damit kostengünstiger ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird verfahrensseitig vorgeschlagen, dass zum Plasmaschweißen Gasgemische enthaltend Argon, Helium sowie Kohlendioxid und/oder Sauerstoff eingesetzt werden.
Primär kann dieses Gasgemisch als Schutzgasgemisch zum Einsatz kommen, da es einfacher ist, hierfür geeignete Brenner zu finden. Noch größere Vorteile sind allerdings zu erzielen, wenn man die erfindungsgemäßen Gasgemische auch als Plasmagas einsetzt. Dieses macht allerdings darauf abgestimmte Brennerkonstruktionen und Elektrodenmaterialien notwendig.
Das erfindungsgemäße Gasgemisch zum Plasmaschweißen ist dadurch gekennzeichnet, dass es Argon, Helium sowie Kohlendioxid und/oder Sauerstoff enthält.
Es hat sich gezeigt, dass mit den vorgenannten Gasgemischen eine deutliche Steigerung der Prozesseffizienz erreicht werden kann. Insbesondere wird – beispielsweise im Vergleich zur alleinigen Verwendung von Argon – eine große Verstärkung des Einbrandes erzielt. Diese Verstärkung hat seine Ursache darin, dass die Energieübertragung verbessert wird.
Durch die Verwendung von Helium wird insbesondere die Energieübertragung in das Plasmagasgemisch und von diesem auf die Metalle verbessert. Kohlendioxid ist, verglichen mit Edelgasen, ein komplexes Gebilde mit der Eigenschaft, mehr Dissoziationsenergie zu speichern und als Rekombinationsenergie an das zu schweißende Bauteil abzugeben. Bei gleicher Gasmenge kann also mehr thermische Energie übertragen werden. Die freiwerdenden Sauerstoffatome aus dem Kohlendioxid bzw. Sauerstoff machen die Schmelze des erzeugten Schmelzbades dünnflüssiger, so dass durch die Strömungen im Schmelzbad die thermische Energie schneller in die Tiefe gebracht werden kann. Wird die Prozesseffizienz hier gesteigert, so ergibt sich ein weiterer Vorteil. Durch das schnellere Einbringen der Energie wird erreicht, dass der Energieanteil, der aufgrund der Wärmeleitung in das Bauteil abfließt, verringert wird. Der Schweißverzug des Bauteils wird dadurch reduziert.
Kommt ein Gasgemisch, enthaltend Argon, Helium und Kohlendioxid, zur Anwendung. so beträgt – entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Plasmaschweißen sowie des erfindungsgemäßen Gasgemisches – der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-% und der Kohlendioxid-Anteil 1 bis 95 Vol.-% in Argon.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Plasmaschweißen sowie des erfindungsgemäßen Gasgemisches beträgt im Falle eines Gasgemisches, enthaltend Argon, Helium und Sauerstoff, der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-%, der Sauerstoff-Anteil 1 bis 40 Vol.-% in Argon.
Sofern das vennrendete Gasgemisch Argon, Helium, Sauerstoff und Kohlendioxid enthält, beträgt vorzugsweise der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-%, der Sauerstoff-Anteil 1 bis 20 Vol.-% und der Kohlendioxid-Anteil 1 bis 60 Vol.-% in Argon.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Plasmaschweißen weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Zusammensetzung des Gasgemisches variiert wird bzw. variierbar ist.
Hierbei kann das verwendete Gasgemisch entweder erst in der Plasmaschweißanlage selbst gemischt oder als so genanntes Fertiggasgemisch zugeführt werden. Eine Änderung der Gasgemischzusammensetzung erfolgt vorzugsweise mittels der (CNC-)Steuerung der Plasmaschweißanlage.
Auch kann es zweckmäßig sein, wenn die Gasgemischzusammensetzung im Leerlaufbetrieb anders eingestellt wird als im Schweißbetrieb; gleiches gilt für das so genannte Zünden der Anlage. Ferner wird oftmals die Gasgemischzusammensetzung in Abhängigkeit von dem Widerstand des Schweißprozesses, also von dem Verhältnis Strom zu Spannung, verändert.
Durch die Variation der Gemischzusammensetzung lassen sich die Qualität, die Geschwindigkeit und damit die Produktivität des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Plasmaschweißen positiv beeinflussen. Durch die Kombination der einzelnen Gase, lassen sich die verschiedenen für den Prozess wichtigen physikalischen Eigenschaften des Schneidgases, wie thermische Leitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Enthalpie, Dichte, etc., optimal auf die Plasmaschweißanlage sowie das zu schneidende Material abstimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Plasmaschweißen eignet sich für alle elektrisch leitenden Werkstoffe, insbesondere jedoch für niedrig legierte Stähle.

Claims

Verfahren zum Plasmaschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasgemisch, enthaltend Argon, Helium sowie Kohlendioxid und/oder Sauerstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Gasgemisches, enthaltend Argon, Helium und Kohlendioxid, der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-% und der Kohlendioxid-Anteil 1 bis 95 Vol.-% in Argon beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Gasgemisches, enthaltend Argon, Helium und Sauerstoff, der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-%, der Sauerstoff-Anteil 1 bis 20 Vol.-% in Argon beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Gasgemisches, enthaltend Argon, Helium, Kohlendioxid und Sauerstoff, der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-%, der Sauerstoff-Anteil 1 bis 10 Vol.-% und der Kohlendioxid-Anteil 1 bis 40 Vol.-% in Argon beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Gasgemisches variiert wird bzw. variierbar ist.
Gasgemisch zum Plasmaschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch Argon, Helium sowie Kohlendioxid und/oder Sauerstoff enthält.
Gasgemisch nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Gasgemisches, enthaltend Argon, Helium und Kohlendioxid, der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-% und der Kohlendioxid-Anteil 1 bis 95 Vol.-% in Argon beträgt.
Gasgemisch nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Gasgemisches, enthaltend Argon, Helium und Sauerstoff, der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-%, der Sauerstoff-Anteil 1 bis 20 Vol.-% in Argon beträgt.
Gasgemisch nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Gasgemisches, enthaltend Argon, Helium, Kohlendioxid und Sauerstoff, der Helium-Anteil 1 bis 40 Vol.-%, der Kohlendioxid-Anteil 1 bis 40 Vol.-% und der Sauerstoff-Anteil 1 bis 10 Vol.-% in Argon beträgt.