DE4118618A1

DE4118618A1 - Plasmabogenschweisssystem

Info

Publication number: DE4118618A1
Application number: DE4118618A
Authority: DE
Inventors: William F Iceland; Charles D Rosen; Jerry R Tryon; Alfonso Z Aguila
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1990-06-06
Filing date: 1991-06-06
Publication date: 1991-12-12
Also published as: JPH04228270A; US5045667A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Plasmabogenschweißsystem, und zwar insbesondere auf ein manuelles Schlüsselloch (keyhole)-Plasmabogenschweißsystem.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf das hochleistungsdichte Schweißen und insbesondere auf ein manuelles Schlüsselloch schweißverfahren zur Eliminierung von Defekten im schweißbaren Material.

Typischerweise werden bei der Herstellung großer Strukturen aus Aluminium und anderen schweißbaren Materialien automati sche Schweißverfahren zur Bildung der Grundstruktur einge setzt. Manuelle Schweißverfahren werden später zur Reparatur unerwünschter Defekte verwendet, die während des automatischen Schweißverfahrens erzeugt wurden. Die Defekte werden üblicher weise durch Röntgenstrahlverfahren oder visuelle Inspektion detektiert und durch mechanische Mittel, wie beispielsweise Schleifen oder Bearbeitung durch Werkzeugmaschinen, entfernt. Sodann wird die Struktur erneut geschmolzen oder reparaturge schweißt unter Verwendung von Gas-Wolfram-Bogen-Schweißung (GTAW = gas tungsten arc welding) oder Plasmabogenschweiß verfahren.

Das GTAW erzeugt einen Bogen zwischen einer nicht-verbrauch baren Elektrode und dem Werkstück in einer inerten Gasat mosphäre. Infolge der Ionisierung des Gases wird eine Gasent ladung gebildet. GTAW wird im allgemeinen ausgeführt in einem Leistungsdichtebereich von zwischen annähernd 5×10⁶ W/mm² und 5×10⁸ W/mm², um das Schmelzen des Werkstücks vorzusehen. Die Plasmabogenschweißverfahren verwenden ein Gas, welches durch eine eingeschränkte Zumeßöffnung abgegeben wird, was eine kollimierte mit hoher Geschwindigkeit und hoher Tempera tur darauffolgende Abgabe bedeutet. Die Plasmabogenschweißung wird im allgemeinen in einem Leistungdichtebereich von zwi schen 5×10⁸ W/mm² und 3×10¹⁰ W/mm² durchgeführt.

Bei Niveaus, die größer sind als ungefähr 1×10¹⁰ W/mm² ist die Leistungsdichte während des Plasmabogenschweißens hinrei chend hoch, um die Stuktur nicht nur zu schmelzen, sondern auch vollständig zu durchdringen, um ein Loch oder "Schlüssel loch" zu erzeugen, wie dies üblicherweise genannt wird. Dieses Verfahren ist in dem Buch mit dem Titel "Physics of Welding", Kapitel 8, High Power Density Welding beschrieben. Das Schlüs sellochschweißen sieht eine tiefe, schmale Eindringung, ver glichen mit dem GTAW-Prozeß vor.

US-PS 46 28 177 beschreibt einen dichtungslosen Plasmasbogen schweißkopf, der eine Leistungsquelle verwendet, der eine auf der Zeit basierende Rechtecksteuerwellenform benutzt. US-PS 46 28 177 verwendet ein Abschirmgas, welches beispielsweise Helium sein kann.

Zu den Vorteilen und Zielen sei hinsichtlich der Erfindung zu samnmenfassend folgendes ausgeführt. Ein Hauptziel der vorlie genden Erfindung besteht darin, die Schleif- oder anderen Be arbeitungsverfahren zu eliminieren, wie sie derzeit erforder lich sind, um unerwünschte Defekte zu reparieren, die während eines automatisierten Schweißprozesses erzeugt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Schlüssel loch-Bogenschweißsysteme zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein manuelles Schlüssellochplasma-Bogenschweißsystem und umfaßt in seinen breitesten Aspekten folgendes:

a) eine Leistungsquelle;
b) eine manuelle Bogenschweißkopfanordnung, die folgendes aufweist:
- i) eine hohle Abschirmschale,
- ii) eine Zumeßöffnungs-Unteranordnung konzentrisch angeordnet innerhalb der Abschirmschale, und
- iii) eine Elektrode konzentrisch angeordnet innerhalb der Zumeßöffnungs-Subanordnung,
c) eine Abschirmgasquelle; und
d) eine Plasmagasquelle.

Ein Abschirmgasabgabering oder Ringraum wird zwischen einer Anschlußkante der Schirmschale oder der Schirmtasse gebildet und dem Anschlußende der Zumeßöffnungs-Unteranordnung. Die Anschlußkante der Schirmtasse wird über das Anschlußende der Zumeßöffnungs-Subanordnung hinaus erstreckt, um einen lamina ren Abschirmgas-Abgabefluß durch den Ausgabe- oder Abgabering raum zu bilden, wodurch die Zumeßöffnungs-Unteranordnung ge kühlt wird. Ein Plasmagasringraum oder Abgabering wird gebil det zwischen dem Anschlußende der Zumeßöffnungs-Subanordnung und einem Ende der Elektrode. Ein erster Anschluß der Lei stungsquelle ist mit der Elektrode verbunden und ein zweiter Anschluß der Leistungsquelle ist mit dem Werkstück verbunden. Die Leistungsquelle liefert einen sinuswellenförmigen, sich ändernden Strom. Ein Transferbogen wird zwischen der Elektrode und dem Werkstück gebildet. Die Leistungsdichte reicht aus, um das Schlüssellochschweißen vorzusehen, die umkehrenden Sinus wellenpolaritäten erzeugen die gleichzeitige Schlüssellochpe netration und das Kathodenreinigen, was das Erfordernis einer beträchtlichen Werkstückoberflächenvorbereitung und/oder Ent fernung von internen Werkstückdefekten eliminiert. Sowohl das Abschirmgas als auch das Plasmagas sind inerte Gase. Vorzugs weise ist das Abschirmgas Helium.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des manuellen Wechsel strom-Plasmabogenschlüsselloch-Schweißsystems der Er findung;

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung der manuellen Plasmabogen-Schweißkopfanordnung gemäß Fig. 1.

In den Figuren werden jeweils die gleichen Elemente oder Teile der Zeichnungen mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

Im folgenden sei das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfin dung beschrieben. Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbei spiel der Erfindung, wie es mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Eine manuelle Plasmabogenschweiß-Kopfanordnung 12 ist zur Schlüsselloch-Plasmabogenschweißung eines Werkstücks 14 vorge sehen und wird weiter unten im einzelnen beschrieben. Eine Leistungsquelle 16 mit Konstantstromeigenschaften und vorzugs weise 440 Volt Einzelphasen-Gleichstrom ist vorgesehen. Die Leerlaufspannung der Leistungsversorgung 16 liegt normalerwei se bei 80 Volt Wechselspannung. Ein mit gestrichelten Linien bezeichneter Hochfrequenzoszillator 18, vorzugsweise der Fun kenspaltbauart, ist zur Bogeninitiierung vorgesehen, ohne daß die Notwendigkeit besteht, daß die Elektrode 20 der Kopfanord nung 12 die Arbeitsoberfläche des Werkstücks 14 berührt. Der Oszillator 18 sieht die erforderliche Amplitude und Zeitperio de für einen Übergangsbogen von der Elektrode 20 zum Werkstück vor. Zudem sieht der Oszillator 18 zur Verhinderung von Bogen ausfällen die Wiederzündung vor, und zwar während gerader und umgekehrter Polaritäten. Die 440 Volt werden, wie in der Figur gezeigt, auf nominal 2000 Volt Wechselspannung angehoben.

Die Spannung der Leistungsversorgung 16 wird durch den Trans formator T herabtransformiert und über zwei Dioden 22 und ein Gleichgewichtspotentiometer 24 und durch den Induktor 26 ange legt. Das Potentiometer 24 sieht eine Gleichgewichtssteuerung der Sinuswellenstromwellenform vor. Der Gleichgewichts- oder Ausgleichseffekt sieht eine Steuerung der Schweißdurchdrin gung, verglichen mit der Schweißreinigungswirkung vor. Die 80 Volt sind an der Elektrode 20 in dem Werkstück 14 durch den Hochfrequenzoszillator 18 eingeprägt. Ein mit gestrichelten Linien 28 bezeichneter sättigbarer Reaktor (eine Spule) ist vorgesehen, um den Strom der Leistungsversorgung 16 zu steu ern. Ein Pilotbogenwiderstand 30 sieht einen Hochfrequenzpfad zwischen der Elektrode 20 und einer Zumeßöffnungs-Unteranord nung 32 der Kopfanordnung 12 vor, auf welche Weise eine Hoch frequenzgasentladung zur Bogeneinleitung vorgesehen wird.

Die 440 Volt werden auf 24 Volt herabgesetzt und durch einen Brückengleichrichter 34 in Gleichspannung umgeleitet. Die Aus gangsgleichspannung des Brückengleichrichters 34 wird am Schweißstromsteuer-Potentiometer 36 einer Fußschalt-Potentio meteranordnung 38 eingeprägt, und zwar durch eine Impulsampli tudensteuerung 40 in die Steuerwicklung der sättigbaren Spule 38. (Die Impulsamplitudensteuerung 40 gestattet das Außerposi tionschweißen durch Veränderung der Amplitude und Zeitperiode des Schweißstroms. Diese Steuerung negiert Schwerkrafteffekte durch Verhinderung das Abfallen oder Herausfallen der Schweiß pfütze.) Wenn der Benutzer den Fußschalter verändert, so än dert er durch die Steuerwicklung der sättigbaren Spule 28 fließende Strom den Ausgangsstrom des Schweißers. Der Schweiß vorgang kann durch die Verwendung des Ein/Aus-Schalters 42 durch die Schweißkontaktvorrichtung 44 initiiert werden.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Plasmabogen- Schweißkopfanordnung 12. Die Anordnung 12 weist eine hohle Ab schirmschale 46 auf, eine Zumeßöffnungs-Unteranordnung 32, konzentrisch angeordnet innerhalb der Abschirmschale 46 und eine Elektrode 20 (vorzugsweise hergestellt aus thoriiertem Wolfram), konzentriert angeordnet innerhalb der Zumeßöffnungs- Unteranordnung 32. Eine Abschirmgasquelle 48 (vgl. Fig. 1) liefert einen Abschirmgasfluß 50 durch den Abschirmgasabgabe ring, gebildet zwischen der Endkante oder Anschlußkante 52 der Abschirmschale 46 und dem Anschluß- oder Abschlußende 54 der Zumeßöffnungs-Unteranordnung 32. Die Abschlußkante 52 der Ab schirmschale 46 ist über das Anschluß- oder Abschlußende 54 der hohlen Zumeßöffnungs-Unteranordnung 32 hinauserstreckt und mit einem Ausnehmungsabstand (durch Pfeile 56 bezeichnet) kon struiert, ausreichend zur Erzeugung eines laminaren Abschirm gas-Abgabeflusses durch den Abgabering, was eine Kühlung der Zumeßöffnungs-Subanordnung 32 vorsieht. Das Abschirmgas 50 ist ein inertes Gas, und zwar vorzugsweise Helium oder eine Mi schung aus Helium und einem anderen inerten Gas.

Eine (in Fig. 1 mit 57 bezeichnete) Plasmagasquelle sieht einen Fluß 58 eines inerten Plasmagases durch einen Plasma gasabgabering vor, und zwar gebildet zwischen der Elektrode 20 und dem Abschluß- oder Anschlußende 54 der Zumeßöffnungs- Unteranordnung 32. Das Plasmagas ist ein inertes Gas, vorzugs weise Argon. Zur Kühlung der Zumeßöffnungs-Anordnung 32 ist in bekannter Weise eine Wasserkühlung vorgesehen. Eine Kühlmit telrezirkulations-Vorrichtung ist schematisch bei 60 in Fig. 1 zu sehen.

Während des Betriebs betätigt der Schweißer mit dem Schweiß kopf in der Hand die Fußschaltanordnung 38. Plasmagas, Ab schirmgas und Kopfkühlwasser fließen dann. Der Hochfrequenz pilot- oder Steuerbogen wird initiiert und der Schweißer nä hert sich der zu schweißenden Oberfläche. Des Pilotbogen wird durch die Gasionisation aufgebaut. Der Hochfrequenzbogen wird zur Arbeitsoberfläche übertragen. Der Pilotbogen wird automa tisch gelöscht. Der Schweißbogen wird aufgebaut und Schweiß strom wird erzeugt. Der Schweißer hält die Position, bis ein Schlüsselloch gebildet ist. Der Kopf wird oberhalb der zu schweißenden Oberfläche bewegt und bildet eine kontinuierliche Schweißung. Bei der AC- oder Wechselstromschweißung wird die Durchdringung des Werkstückes vorherrschend aufrechterhalten durch die gerade Polarität (Elektrode negativ). Während des umgekehrten Polaritätsteils des Zyklus (Elektrode positiv), bombadieren schwere Ionen den gesamten Teil der Schlüsselloch oberfläche. Dies klärt kathodisch (gegebenenfalls periodisch) das gesamte Schlüssellochgebiet und sämtliche unerwünschten Defekte werden durch den Gasdruck beseitigt, wobei die Defekte durch die Herausfallseite des Schlüssellochs entfernt werden.

In Fig. 2 ist der negative Elektrodenzustand (d. h. gerade Po larität) dargestellt. (Die Kopfanordnung 12 wird in Richtung des Pfeils 62 bewegt, ein Filterdraht 64 ist vor der Kopfan ordnung 12 positioniert.) Die Elektrode befindet sich in einem negativen Zustand und das Werkstück befindet sich in einem po sitiven Zustand. Die Elektronen werden an die Arbeitsoberflä che angezogen, was einen Hochtemperaturzustand erzeugt. Die positiven Ionen werden an die Elektrode herangezogen. Bei der (nicht gezeigten) umgekehrten Polarität werden die Elektronen an die Elektrode herangezogen und die schweren positiven Io nen, die das Schlüsselloch bombardieren, sehen die oben er wähnte Reinigung vor, was eine defektfreie Schweißung zur Fol ge hat. In Fig. 1 ist das Metall 66 erhärtend hinter dem Schlüsseloch gezeigt. Um das Schlüsselochplasma-Bogenschweis sen vorzusehen, sollte die Leistungsdichte auf oder oberhalb 1×10¹⁰ W/mm² liegen.

Der laminare Abschirmgasfluß wird sichergestellt durch Zurück nahme des Anschlußendes 54 der Zumeßöffnung-Subanordnung 32 bezüglich der Anschlußkante 52 der Abschirmschale 46. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Außendurchmesser des Haupt körpers der Abschirmschale 46 annähernd 3/4 Zoll mit einem Durchmesser der End- oder Abschlußkante 52 von annähernd 3/8 Zoll. Die Zumeßöffnungs-Subanordnung 32 besitzt einen Haupt körper-Außendurchmesser von annährnd 1/2 Zoll, der am An schlußende 54 auf annähernd 1/4 Zoll verjüngt ist. Der zurück genommene Abstand 56 zwischen der Endkante 52 und dem Abschlußende 54 beträgt annähernd 0,15 Zoll. Diese Miniatu risierung der Konstruktion gestattet die manuelle Verwendung der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung vermeidet jedes Erfordernis hin sichtlich Schleifens oder Bearbeitens, was normalerweise er forderlich ist, um Defekte vor dem erneuten Schweißen zu ent fernen. Ferner wird die Entfernung von Oberflächenoxiden, was normalerweise eine Voraussetzung für eine defektfreie Röntgen strahlqualitätsschweißung bildet, vermieden. Die Erfindung ist brauchbar bei Schweißanwendungen, die Aluminium verwenden.

Abwandlungen der beschriebenen Maßnahmen liegen im Rahmen fachmännischen Handelns.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Ein manuelles Schlüssellochplasma-Bogenschweißsystem mit einer Leistungsquelle. Eine manuelle Bogenschweißkopfanordnung weist folgendes auf: a) eine hohle Schweißschale, b) eine Zumeßöff nungs-Subanordnung konzentrisch angeordnet innerhalb der Schweißschale, und c) eine Elektrode konzentrisch angeordnet innerhalb der Zumeßöffnungs-Subanordnung; eine Abschirmgas quelle und eine Plasmagasquelle. Ein Abschirmgasabgabering wird zwischen einer Endkante der Abschirmschale und dem Ab schlußende der Zumeßöffnungs-Subanordnung gebildet. Die End kante der Abschirmschale ist über das Abschlußende der Zumeß öffnungs-Subanordnung hinaus erstreckt, um einen laminaren Abschirmgasabgabefluß durch den Abgaberingraum zu erzeugen, was die Kühlung der Zumeßöffnungs-Subanordnung vorsieht. Ein Plasmagasabgabering wird zwischen dem Abschlußende der Zumeß öffnungs-Subanordnung und einem Ende der Elektrode gebildet. Ein erster Anschluß der Leistungsquelle ist mit der Elektrode und ein zweitewr Anschluß der Leistungsquelle ist mit dem Werkstück verbunden. Die Leistungsquelle sieht einen sinuswel lenförmigen Wechselstrom vor. Ein Übertragungsbogen wird zwi schen der Elektrode und dem Werkstück gebildet. Die Leistungs dichte reicht aus, um das sogenannte Schlüssellochschweißen vorzusehen, wobei die umgekehrten Sinuswellenpolaritäten gleichzeitig die Schlüssellochdurchdringung und das kathodi sche Reinigen erzeugen, auf welche Weise das Erfordernis an einer substantiellen Werkstückoberflächenvorbereitung und/oder Entfernung von internen Werkstücksdefekten vermieden wird.

Claims

1. Plasmabogenschweißsystem, insbesondere der manuellen und sogenannten Lochart, wobei folgendes vorgesehen ist:

a) eine Leistungsquelle zum Vorsehen eines sinuwellen förmigen Wechselstroms;
b) eine manuelle Plasmabogenschweiß-Kopfanordnung, die folgendes aufweist:
- i) eine Abschirmschale mit einer Endkante mit einer mittig angeordneten Längsachse,
- ii) eine Zumeßöffnungs-Subanordnung, konzentrisch angeordnet innerhalb der Abschirmschale, wobei die Zumeßöffnungs-Subanordnung ein Abschlußende besitzt, und wobei ferner ein Abschirmgasabga bering gebildet wird zwischen der Abschlußkante der Abschirmschale und dem Abschlußende der hohlen Zumeßöffnungs-Subanordnung,
- iii) eine Elektrode, verbunden mit einem ersten Anschluß der Leistungsquelle, wobei die Elek trode konzentrisch angeordnet ist innerhalb der Zumeßöffnungs-Subanordnung, ein Plasmagasabga bering, gebildet zwischen dem Abschlußende der hohlen Zumeßöffnungs-Subanordnung und einem Ende der Elektrode,
wobei die Abschlußkante der Abschirmschale über das Abschlußende der Zumeßöffnungs-Subanordnung hinaus erstreckt und derart konstruiert ist, daß ein lamina rer Abschirmgas-Austrittsfluß durch den Abgabering zur Kühlung der Zumeßöffnungs-Subanordnung erzeugt wird;
c) eine Abschirmgasquelle in Strömungsmittelverbindung mit dem Abschirmgasabgabering zum Vorsehen eines Flus ses am inerten Abschirmgas durch den Abschirmgasabga bering zu dem Werkstück:
d) eine Plasmagasquelle in Strömungsmittelverbindung mit dem Plasmagasabgabering zum Vorsehen einer Strömung von inertem Plasmagas durch dem Plasmagasabgabering, wobei der Fluß im wesentlichen kollimiert ist; einen zweiten Anschluß der Leistungsquelle, verbunden mit dem Werkstück, um so einen übertragenen Bogen vorzusehen zwischen der Elektrode und dem Werkstück, wobei die Lei stungsdichte ausreicht, um das Schlüssellochschweißen vor zusehen, wobei ferner vorzugsweise umkehrende Sinuswellen polaritäten gleichzeitig die Schlüssellochdurchdringung und die kathodische Reinigung vorsehen, was das Erforder nis einer beträchtlichen Werkstückoberflächenvorbereitung und/oder Entfernung von internen Werkstückdefekten ver meidet.

2. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmgas Helium ist.

3. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmgas eine Gasmischung einschließlich Helium aufweist.

4. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmagas Argon ist.

5. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle Steuermittel aufweist, um die relative Durchdringung und die Steuerung der Reinigung vorzusehen.

6. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte größer als oder gleich 1×10¹⁰ W/mm² ist.

7. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus Aluminium gebildet ist.

8. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinuswellenwechselstrom ausgeglichen oder im Gleichge wicht (oder symmetrisch) ist.

9. Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinuswellenwechselstrom sich nicht in Gleichgewicht befindet.