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Gebrauchsmustersohutzanmeldung Arbeitsgerät zum Betreiben eines Lichtbogenschweißverfahrens
mit magnetisch bewegtem Lichtbogen.
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Die Erfindung betrifft ein Arbeitsgerät zum Betreiben eines
| Lichtbogen-Schweiß-und Lötverfahrens mit einem Lichtbogen, |
der zwischen einer nichtabschmelzenden Elektrode und einem Werkstück brennt und
der durch magnetische Kräfte bewegt wird, wobei sich die Elektrode über die ganze
Fugenlänge erstreckt und der Lichtbogen fortlaufend mehrfach rasch so über die Fuge
bewegt wird, dass diese sich in ihrer ganzen Ausdehnung auf die erforderliche Temperatur
erwärmt. Das Arbeitsgerät besteht aus einer Elektrode, die gekühlt sein kann, und
die sich in einem gleichbleibenden Abstand über die ganze Fugenlange erstreckt,
kombiniert mit einem Magneten, dessen Kraftlinien so bemessen und gerichtet sind,
dass sie den Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück rasch langs der
Schweißfuge bewegen ; es ist dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet oder/und die
Elektrode Hohlräume besitzen, durch welche der Schweißstelle ein Schutzgas zugeführt
wird.
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Es ist seit langem bekannt, die Wärmeenergie eines Lichtbogens zum
Verbinden von Metallen, beispielsweise zum Schweißen, auszunutzen. Der Lichtbogen
wird dabei entweder zwischen einer abschmelzenden oder einer nichtabschmelzenden
Elektrode und dem Werkstück gezogen, oder er brennt zwischen zwei Elektroden, wobei
in diesem Falle die ärme der Lichtbogensäule zum Erwarmen des Werkstückes herangezogen
wird.
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Bei allen diesen Verfahren werden die Elektroden mit fortschreitender
Schweißung längs der Naht verschoben, wobei entweder die Elektroden bewegt werden
und das werkstück feststeht oder umgekehrt. Es sind aber auch Anordnungen bekannt
geworden, bei denen Elektrode und Werkstück gleichzeitig feststehen und der Lichtbogen
wandert ; in einem solchen Fall wird die Elektrode beispielsweise in die Nahtfuge
eingelegt, und der Lichtbogen, der zwischen Elektrode und Werkstück brennt, wandert
in demselben Maße, wie die Elektrode abschmilzt. Es ist bei diesem letzten Verfahren
auch bekannt, den Lichtbogen mit Hilfe magnetischer Felder so zu beeinflussen, dass
er abwechselnd nach beiden Seiten quer zur Nahtrichtung abgelenkt wird. Beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen
mit beweglicher Elektrode ist ausserdem bekannt, den Lichtbogen magnetisch in bchweißrichtung
abzulenken.
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Der Nachteil dieser bekannter Verfahren liegt darin, dass die Werkstücke
jeweils nur auf einen kurzen Teil der Nahtlänge aufgeschmolzen werden. Die erwärmte
Stelle erstarrt danach und behindert das Schrumpfen der nachfolgenden Nahtstellen.
Dadurch entstehen während des Schweißvorganges starke örtliche Schrumpfspannungen,
die vom erstarrten Schweißgut während eines Zeitintervalls aufgenommen werden müssen,
in welchem es sich im Temperaturbereich der Blaubruchgefahr befindet.
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Beim Widerstands-Abbrenn-Stumpfschweißen ist ausserdem bekannt, den
Lichtbogen in der Abbrennphase rasch über den ganzen Stoß zwischen den beiden Werkstücken
durch megnetische Krafte zu bewegen, jedoch müssen die Werkstücke anschließend unter
Druck aufeinander vorgeschoben werden. Dafür sind verhältnismäßig aufwendige Maschinen
erforderlich.
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Ferner ist ein Verfahren bekannt, bei dem mit einem Lichtbogen gearbeitet
wird, der zwischen einer nichtabschmelzenden Elektrode und einem Werkstück oder
zwischen zwei nichtabschmelzenden
Elektroden brennt, wobei der
Bogen durch magnetische Kräfte bewegt wird, die Elektrode sich über die ganze Fugenlänge
erstreckt, und der Lichtbogen fortlaufend mehrfach rasch so über die Fuge bewegt
wird, dass diese sich in ihrer ganzen Ausdehnung auf die erforderliche Temperatur
erwärmt.
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Um das Entstehen von Oxiden und Nitriden zu unterbinden, wird dabei
zweckmäßigerweise Schutzgas zugeführt, beispielsweise Argon. Dies gilt jedenfalls
dann, wenn es sich um ein reines Schmelzverfahren handelt, bei dem die Oxyde und
Nitride nicht aus der Fuge herausgequetscht werden, wie es beim Preßschweißen geschieht.
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Die praktische Erprobung dieses Verfahrens bringt jedoch insofern
eine Schwierigkeit, als es schwierig wird, auf dem zur Verfügung stehenden engen
Raum und in der erforderlichen geometrischen Konfiguration in der Nähe der Fuge
die Elektrode, den Magneten und die Einrichtung zur Zufuhr des Schutzgases unterzubringen,
ohne dass eines dieser Teile vom Lichtbogen beschädigt wird.
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Das Arbeitsgerät gemäß der Erfindung vermeidet diesen Nachteil. Es
erlaubt, dass mit einem Lichtbogen unter Schutzgas gearbeitet wird, der zwischen
einer nichtabschmelzenden Elektrode und dem Werkstück oder zwischen zwei nichtabschmelzenden
Elektroden brennt, wobei die Elektrode sich über die ganze Fugenlänge erstreckt
und der Lichtbogen durch magnetische Kräfte fortlaufend mehrfach so rasch über die
Fuge bewegt wird, dass diese sich in ihrer ganzen Ausdehnung auf die erforderliche
Temperatur erwärmt, und es ist dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet oder/und
die Elektrode Hohlräume besitzen, durch welche der Schweißstelle ein Schutzgas zugeführt
wird. Erst mit Hilfe dieses Arbeitsgerätes kann das geschilderte Verfahren wirklich
nutzbringend eingesetzt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Arbeitsgerät gelingt es, die Wicklung eines
Elektromagneten weitab von der Schweißstelle unterzubringen, sodass sie durch die
Wärme des Lichtbogens und der Schweißstelle nicht mehr gefährdet ist. Ausserdem
wird das Schutzgas der Schweißstelle auf kürzeste Entfernung direkt zugeführt, sodass
der Schutzgasverbrauch sehr niedrig wird. Ferner wird eine gesonderte sich über
die ganze Nahtfuge erstreckende Schutzgasdüse gespart, sodass nicht nur die Ausrüstung
einfacher und billiger, sondern vor allem auch die Sicht auf die Schweißstelle nicht
behindert wird.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung ist dadurch gegeben, dass der Polschuh
ebenso wie die nichtabschmelzende Elektrode zum Schweißen von Nähten, die eine geschlossene
Kurve bilden, ebenfalls aus einem geschlossenen Körper besteht, der auf dem ganzen
Umfang den gleichen Abstand vom Werkstück besitzt. Es ist'vorteilhaft, wenn beim
Schweißen nichtgeschlossener Nähte das an einer geschlossenen Kurve fehlende Stück
durch ein Hilfsstück, insbesondere durch ein wassergekühltes Kupferstück ersetzt
wird, das den Bogen zum Anfang der Naht zurückführt, wobei auch der Polschuh in
analoger Weise ausgebildet ist. Insbesondere kann der Lichtbogen zwischen zwei nichtabschmelzenden
Elektroden im Bereich der Nahtfuge brennen, wobei in diesem Falle die Wärme der
positiven Säule zum Erwärmen des Werkstückes ausgenutzt wird ; auch hier ist die
Ausbildung eines Polschuhes der geschilderten Art zweckmäßig.
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Das Arbeitsgerät eignet sich besonders gut für in sich geschlossene
Nähte, läßt sich aber auch bei geraden Nähten durchführen, auch dürfen die Nähte
eine räumliche Kurve bilden.
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Das Arbeitsgerät soll an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden
: In Abbildung 1 handelt es sich um das Einschweißen eines Rohres 1 in das Blech
2. Die Einrichtung ist im Schnitt
gezeichnet. Die nichtaboholsende
Elektrode 3 ist hier als Zylinder ausgebildet und besteht beispielsweise aus wassergekühltem
Kupfer. Sie steht der zu schweißenden Fuge im Abstand von einigen Millimetern gegenüber.
Der Lichtbogen 4 wird entweder mit Hilfe eines Kohlestabes oder eines hochgespannten
Hochfrequenzstoßes gezündet.
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Im Innern der zylindrischen Elektrode 3 ist ein Magnet 5 angeordnet.
Er ist hier als Elektromagnet mit der Spule 6 gezeichnet, darf aber auch ein Permanentmagnet
sein. Am unteren Ende des Magneten 5 sitzt ein Polschuh'7, der in der gezeichneten
Anordnung ringsherum einen Nordpol bildet.
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Die vom Polschuh ausgehenden magnetischen Kraftlinien schneiden den'erg
der Ladungsträger im Lichtbogen und lenken sie in bekannter Weise senkrecht zu den
Kraftlinien und senkrecht zur Bewegungsriohtung der Ladungsträger ab.
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Dadurch entsteht eine Bewegung des Lichtbogens längs des Spaltes zwischen
der Elektrode 3 und dem Werkstück. Wie Versuche mit einer solchen Anordnung gezeigt
haben, gelingt es bei geeigneter Ausbildung und Lage des Polschuhes und bei richtiger
ahl der magnetischen Feldstärke und des Schweißstromes, den Lichtbogen zu einem
so raschen Umlaufen zu bringen, dass er mit dem Auge icht mehr verfolgt werden kann.
Es kommt dann zu einer völlig gleichmäßigen Erwärmung der beiden Werkstückteile,
die auf dem ganzen Umfang zusammenlaufen und dort eine Schweißverbindung bilden.
Das Schutzgas wurde der Schweißstelle über die axiale Bohrung7 im Magneten 6 und
radiale Bohrungen im Polschuh 7, von denen in der Abbildung die beiden Bohrungen
8 und 9 zu sehen sind, zugeführt. Auf diese Weise lassen sich ausgezeichnete Nähte
hoher Qualität in sehr kurzer Zeit herstellen.
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Abbildung 2 zeigt als weiteres Beispiel schematisch das Zusammenfügen
zweier Kapselteile 10 und 11 mittels einer Bördelnaht. Die wassergekühlte Kupferelektrode
12 ist hier ringförmig ausgebildet und umschließt den Bördel 13 in gleichmäßigem
Abstand. Der Lichtbogen 14 brennt zwischen der Kupferelektrode 12 und dem Bördel
13. Das den Umlauf
des Lichtbogens 14 bewirkende Magnetfeld wird
zwischen den beiden zylindrischen Magneten 15 und 16 erzeugt, die sich mit entgegengesetzten
Polen gegenüberstehen und von den Spulen 17 bzw. 18 erregt werden. Auch hier tritt
eine gleichmäßige Erwärmung auf dem gesamten Umfang ein, die schnell zum Aufschmelzen
und Zusammenlaufen der Werkstückteile führt. Die Hohlräume 8 und 9 zum Zuführen
eines Schutzgases sind in diesem Falle in der Elektrode untergebracht. Eine ähnliche
Anordnung kann beispielsweise zum Zusammenschweißen von Radiatorengliedern aus zwei
Preßhälften dienen.
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Dieselbe Anordnung nach Abbildung 2 bietet sich für ein drittes Beispiel
an. Sie soll jedoch nicht zum Schweißen, sondern zum Zusammenlöten der beiden Werkstückteile
dienen.
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In diesem Fall werden die erkstückteile jedoch nicht satt aufeinander
gelegt, sondern zwischen ihnen befindet sich ein Ring aus Lot. Die Verhältnisse
sind in Abbildung 3 dargestellt, wo ein Stück der beiden Bördel 19 und 20 im Schnitt
zu sehen isty zwischen denen der Lotring 21 liegt.
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Der umlaufende Lichtbogen erwärmt die Iferkstückteile 19 und 20 bis
zur Lottemperatur, das Lot 21 schmilzt und verteilt sich gleichmäßig im Spalt, wobei
sich das Werkstückteil 19 vermöge seiner Schwere auf das Werkstückteil 20 auflegt.
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Die zum Löten erforderlichen Temperaturen liegen weit unterhalb des
Schmelzpunktes der Werkstückteile, sodass diese Methode zum Beispiel beim Zusammenfügen
von Kompresse kapseln gegenüber dem bisher üblichen Schweißen den Vorteil bietet,
die empfindlichen Kompressorteile im Innern der Kapsel zu schonen.
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Als viertes Beispiel sei das Schweißen von Motorradtanks erwähnt.
Diese werden normalerweise aus zwei gepreßten Hälften mittels einer Bördelnaht zusammengefügt.
Die Naht bildet dabei eine meist ebene, aber geometrisch unregelmäßige geschlossene
Kurve. Für das mechanisierte Schweißen das zum Beispiel mittels des Aroatom-Verfahrens
durchgeführt wird, sind komplizierte Drehvorrichtungen notwendig,
| um das Werkstück mit gleichförmiger Schweißgeschwindigkeit |
| & |
unter dem Lichtbogen entlangzubewegen. Es ist deshalb für den Hersteller
solcher Teile schwierig und mit bedeutenden Kosten verknüpft, die Fertigung auf
andere Bauformen umzustellen, sodass in vielen Fällen überhaupt auf eine Mechanisierung
verzichtet und von Hand geschweißt werden muß. Das Arbeitsgerät gemäß der Erfindung
läßt sich hier ohne Schwierigkeiten anwenden und erlaubt auch ohne größere Kosten
die Umstellung der Einrichtung auf andere Bauformen.
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Man umgibt die Fuge mit einer Kupferelektrode von solcher Form, dass
sie von dem zu schweißenden Bördel überall einen gleichmäßigen abstand von einigen
Millimetern hat, und treibt den Lichtbogen mit Hilfe passend angeordneter Magnete
mit Bohrungen für die Zufuhr von Schutzgas um das Werkstück herum, bis das Schmelzen
einsetzt und die Schweißung vollzogen ist. Wenn diü Kurve, welche die Naht bildet,
nicht vollständig geschlossen ist, wie es beispielsweise bei der Ausnehmung für
den Einfüllstutzen der Fall sein kann, so wird das fehlende Stück durch einen gekühlten
und deshalb nicht schmelzenden Kupferstreifen ersetzt, auf dem der Lichtbogen vom
Ende der Naht bis zum nächsten Anfang wandern kann.
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Das letzte Beispiel behandelt das Schweißen einer kreisförmigen Ecknaht
nach Abbildung 4 zwischen den beiden Sierkstückteilen 22 und 24. Der Lichtbogen
brennt zwischen den zylindrischen Elektroden 24 und 25 und wird mittels des Ringmagneten
26 zum Umlauf gebracht, wobei das Schutzgas wieder durch Hohlräume 8 und 9 im Magneten
zugeführt wird.
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Hier wird also im Gegensatz zu den anderen Beispielen die positive
Säule des Lichtbogens ausgenutzt, doch spielen sich die übrigen Vorgänge in ähnlicher
eise ab.