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Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Gegenständen mittels Lichtbogen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten, Schmelzen oder Erhitzen von Körpern aus festem Material mittels Lichtbogen, bei welchem der Bogen zwischen einer sich nicht verbrauchenden, axial in einer Düse angeordneten Stabelektrode und einer Gegenelektrode errichtet und zusammen mit einem Gasstrom in einen Durchlass eingeführt und die sich daraus entladende heisse Ausströmung gegen den zu bearbeitenden, zu erhitzenden oder zu schmelzenden Körper- gerichtet wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Es ist bereits bekannt, dass ein zwischen zwei Elektroden gebildeter Lichtbogen mittels eines Luftoder andern Gasstromes verlängert und intensiviert werden kann und dass die so erzeugte Lichtbogenflamme in zufriedenstellender Weise zum Schmelzen eines örtlich begrenzten Teiles eines Metallkörpers verwendet werden kann. Für viele Anwendungen jedoch, insbesondere auf dem Gebiet des Schweissens und Schneidens, ist eine stabilere und stärker konzentrierte Wärmequelle erforderlich als wie sie von den bisher erzeugten Lichtbogenflammen geliefert werden konnte.
Das wesentliche Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Arbeiten mittels Lichtbogen, bei welchen eine Lichtbogenflamme grosser Wärmeintensität verwendet wird, die in wirksamer Weise geformt und ausgerichtet werden kann, um den besonderen Anwendungsmöglichkeiten zu entsprechen, zu denen sie benutzt werden soll.
Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass ein den Lichtbogen verengender Durchlass verwendet wird, dessen feste Wände einen lichten Querschnitt aufweisen, welcher enger ist als der Querschnitt eines äquivalenten, nicht begrenzten Lichtbogens, gemessen im selben Abstand vom Ende der Stabelektrode, wobei der Lichtbogen und der Gasstrom, welche in den Durchlass eintreten, darin zu einem einheitlichen Plasma vereinigt werden, das nach der Entladung eine Ausströmung von verstärkter Hitze, Richtungsstabilität und Bündelung ergibt.
Ferner umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor erwähnten Verfahrens, enthaltend einen Bogenbrenner, bestehend aus einer sich nicht verbrauchenden Stabelektrode, die axial in einer Düse mit einem einengenden Durchlass angeordnet ist, und die Spitze der Stabelektrode in der Nähe der Eintrittsöffnung des genannten Durchlasses angeordnet ist, Mittel zur Zuführung von Gas zur Düse in einem regelbaren Verhältnis und einer elektrischen Energiequelle zur Speisung eines vorherbestimmten Flusses eines elektrischen Stromes über den Lichtbogen, der zwischen der Stabelektrode und einer Gegenelektrode errichtet wird und der gemeinsam mit dem in der Düse zugesetzten Gas durch den einengenden Durchlass hindurchgeht, welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist,
dass die festen Wände des genannten einengenden Durchlasses einen offenenquerschnitt bilden, der im gleichen Abstand von der Stabelektrode kleiner ist als der Querschnitt eines unbegrenzten Bogens, der von demselben vorbestimmten Stromfluss gespeist wird.
Das Werkstück kann in den Lichtbogenstromkreis eingeschlossen werden oder der Lichtbogen kann zwischen der Stabelektrode und einer ringförmigen Elektrode gebildet werden, in welchem Falle der Lichtbogendampf durch die Öffnung des Ringraumes von dem Gasstrom ausgestossen wird. Daher eignet sich das Verfahren zum Bearbeiten mittels Lichtbogen von metallischen wie auch von nichtmetallischen Gegenständen. Ausserdem kann derGassirom Wasserstoff allein oder auch gemischt mit ändern Gasen enthalten, wenn eine stärker konzentrierte Wärmequelle erforderlich ist.
Ferner kann, wenn die Ausströmung zum Schweissen oder Plattieren verwendet verden soll, der Lichtbogen zwischen der Stabelektrode und einer abschmelzenden Drahtelektrode gebildet werden, die kontinuierlich in den austretenden Strom geführt wird.
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Die Erfindung lässt sich erklären, wenn zunächst eine übliche Schweissanordnung betrachtet wird, in welcher oben eine sich nicht verbrauchende Wolframelektrode und unten ein Metallwerkstück als Elektrode verwendet und ein Gas um die Elektrode und den Lichtbogen geführt wird, um die Elektrode gegen die Luft abzuschirmen. Zusammen mit einer solchen Anordnung wird nach der Erfindung ein wassergekühlter Mantel oder Düse, z. B. aus Metall, verwendet, die einen Teil des Lichtbogenstranges an oder gerade unterhalb der Wolframelektrode in einer solchen Weise umgibt und seitlich begrenzt, dass der umgebene Teil des Lichtbogens in der angegebenen Weise eingeengt wird.
Hiebei ist besonders zu erwähnen, dass diese Düse, um wirksam zu sein, einen maximalen Mündungsdurchmesser besitzen sollte, der zumindest so klein ist, dass der Lichtbogenteil darin nicht merkbar in seiner Richtung abgelenkt wird auf Grund sonstiger störender Einflüsse, wie z. B. magnetische Streufelder, Gaskonvektion und Unregelmässigkeiten an den Elektroden. Die minimale Länge des umhüllten Abschnittes des Lichtbogens scheint nicht kritisch zu sein, zumindest bis herab zu der Grösse, die sich mit den mechanischen Erfordernissen beim Kühlen der Düse vereinbaren lässt.
Der Lichtbogenabschnitt zwischen dem Auslass der den Lichtbogen stabilisierenden Düse und dem Werkstück ist in seiner anfänglichen Richtung festgelegt und besitzt Steifheit und Richtungsbeständigkeit.
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dem Stand der Technik dar : Die Steifheit des Lichtbogens hängt jedoch überdies von dem am Elektrodenende der Düse in den Brenner eintretenden Gasstrom ab. Es ist bequem und auch vorzuziehen, dass eine kontrollierbare Gasmenge in die Düsenmündung eingeführt und zur Steuerung der Steifheit und der Geschwindigkeit des austretenden Strahles regulierbar wird, sowie um auch die Vorteile der allgemeinen Einstellbarkeit des letzteren noch wirksamer auszuweiten. Dieser Gasstrom trägt ferner wesentlich zur Weiterleitung der Arbeitswarme bei, die sonst zur Düse geführt würde. Dies verringert das Problem der Kühlung der Düse.
Es wurde bereits erwähnt, dass, obgleich eine Düsenmündung maximaler Grösse für einen gegebenen Abschnitt des Lichtbogens vorgesehen ist, die Mündung mit zugleich ausserordentlich guten und brauchbaren Ergebnissen sehr viel kleiner gemacht werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass eine gekühlte Metälldüse gemäss der Erfindung nicht nur zum Ausrichten und Formen von Lichtbogen zum Bearbeiten von Metall oder Erhitzen von Werkstoffen verwendet werden kann, sondern bei Verwendung kleinerer toff- nungen auch zum Einengen des Lichtbogens, wodurch die Lichtbogenspannung und die Lichtbogengesamtleistung bei einem gegebenen Strom erhöht wird.
Unter diesen Bedingungen bewirkt der Gasstrom durch die Düse eine weitere Zunahme der Lichtbogenspannung und-leistung, da ein grosser Teil des strömenden Gases zu einem Teil des Lichtbogens wird und auf Lichtbogentemperaturen (8000-20000 abs. geschätzt für Argon) erhitzt werden muss.
Da ferner der Lichtbogenstrom und der Gasstrahl, wenn sie aus der Düse austreten, im wesentlichen das gleiche heisse Gas sind, ist die der Ausströmung von der Düse gegebene Querschnittsfläche und Form gleich derjenigen des Lichtbogens. Überdies können wegen der ihnen eigenen Stabilität oftmals längere Lichtbogen und damit solche höherer Spannung verwendet werden, als dies früher möglich oder durchführbar war. Das brauchbare Ergebnis der höheren Lichtbogenspannung oder-leistung und des verringerten Querschnittes des Lichtbogens ist ein ausserordentlich hoher Energiefluss je Querschnittsflächeneinheit bei jedem gegebenen Strom.
Da ausserdem die Geschwindigkeit des aus einer Düse bei einem gegebenen Druck (einschliesslich der kritischen oder Schallgeschwindigkeit) austretenden Gases mit der Temperatur zunimmt und die Lichtbogengastemperaturen die höchsten sind, die im allgemeinen erreicht werden, kann die Gasgeschwindigkeit durch die Düse nach der Erfindung bei einem gegebenen Druck ausserordentlich hoch gemacht werden.
Ausserordentlich hoheGasgeschwindigkeiten sind bei vielen Anwendungsmöglichkeiten nützlich wegen der der Ausströmung erteilten Begleitkräfte und der gerichteten kinetischen Energie.
Die gewünschte Kraft und die gerichtete kinetische Energie der Ausströmung werden gemäss der Erfindung mit einer hohen Wirtschaftlichkeit des Gasverbrauches erreicht. Bei konstantem Druck ist das Volumen eines gegebenen Gasgewichtes im Idealfall der Temperatur des Gases proportional. Die Geschwindigkeit des Gases bei einer bestimmten Massenströmungsgeschwindigkeit durch eine Öffnung ist daher für ein Gas hoher Temperatur grösser. Da das meiste, wenn nicht sogar alles Gas den Brenner nach der Erfindung durchströmt und tatsächlich den Lichtbogen enthält, leuchtet ein, dass sich wegen der hohen Gastemperaturen hohe Geschwindigkeiten bei minimalen Gaskosten erreichen lassen.
Es muss betont werden, dass der Lichtbogenstrom gemäss der Erfindung und der aus der Düse austretende heisse Gasstrahl ein und dieselbe Ausströmung sind. DerGasstrahl ist die stromführende Lichtbogenströmung und nimmt fortgesetzt bis zum Erreichen des Werkstückes elektrische Energie auf. Die Kombination,
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in welcher ein Gasstrom hoher Geschwindigkeit und eine stromführende Lichtbogenströmung hoher Energiekonzentration sich praktisch gleichweit erstrecken, bewirkt ein einzigartiges Ergebnis, das am besten bei der praktischen Anwendung der Erfindung gezeigt wird, wobei das Schneiden einiger Metalle mit solchen Geschwindigkeiten, einer solchen Qualität des Schnittes und einer Wirtschaftlichkeit erreicht wird, die den früheren Lichtbogenschneidverfahren weit überlegen ist.
Ausserdem kann durch geeignete Wahl der Düsenform die Ausströmung bei ihrem Austritt aus der Düse dazu gebracht werden, dass sie ihre gerichtete Bewegung in Form einer gezielten Energieströmung beibehält, die eine Leistungsstärke besitzt, die verhältnismässig unabhängig von der Lichtbogenlänge ist.
Die Vorrichtung nach der Erfindung besitzt einen Brenner mit einer Primärelektrode, die nahe dem Einlass der wassergekühlten Düse angeordnet ist, um die Ausgangsstelle für ein Ende des Lichtbogens vorzusehen. Das andere Ende dieses Lichtbogens wird von einer weiteren Primärelektrode, z. B. dem Werkstück, gehalten. Ein, Gasstrom wird an diese Düse abgegeben, damit er aus dieser mit dem Lichtbogen zum Werkstück hin austreten kann. Während es nicht nötig ist, dass ein solcher Gasstrom dem Einlass der Düse unter Druck zugeführt wird, ist dieser Druck jedoch in manchen Fällen sehr günstig und verbessert den Arbeitsablauf erheblich. Das Gas kann aus jedem geeigneten einzelnen Gas oder Gemisch von Gasen bestehen.
Ausserdem kann der Brenner abgewandelt werden, um eine gewünschte Tätigkeit bei der Steuerung der Ausströmung zu erfüllen, indem eine oder mehrere Düsenmündungen gleicher oder unterschiedlicher Querschnittsflächen, Richtungen und Gestalt verwendet werden.
Die Erfindung hat sich als ausserordentlich geeignet zum Schneiden von Metallen erwiesen, wenn das Werkstück selbst eine Primärelektrode ist, der Primärbrenner aus thoriertem Wolfram besteht, als Gas Argon verwendet wird und der Strom Gleichstrom direkter Polarität (Werkstück positiv) ist.
Die Erfindung schliesst die Verwendung von Wechselstrom mit und ohneHoclfrequenzUberlagenmg sowie auch von Gleichstrom direkter oder umgekehrter Polarität zur Erzeugung des Lichtbogens mit ein.
Eine bequeme Hilfe für die Erfindung ist die Verwendung eines Hilfslich tbogens zwischen der Brennerelektrode und der Düse, welcher das Ende der Elektrode heiss hält und das Zünden und den Betrieb des Hauptlichtbogens erleichtert. Arbeitsgänge zum Erhitzen und Schmelzen beliebiger Metalle fallen mit in den Rahmen der Erfindung.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten sind aus den beiliegenden Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Grundform der Erfindung, bei welcher die Primärelektroden ein Werkstück und ein Stab sind ; Fig. 2 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ; Fig. 3 einen Seitenaufriss eines früher üblichen, nicht eingeengten, von inertem Gas geschützten Lichtbogens ; Fig. 4 in einem Diagramm den Lichtbogendurchmesser über dem Lichtbogenstrom, wobei die drei dargestellten Kurven in verschiedenen Abständen von der Elektrode der Fig. 3 aufgenommen sind ; Fig. 5 eine Ansicht, teilweise in Form eines Schaltbildes, welches einen Stumpfschweissvorgang mit Hilfe des Lichtbogenbrenners veranschaulicht, von dem Teile im vertikalen Längsschnitt dargestellt sind ; Fig. 6 eine ähnliche Ansicht, welche den Schneidvorgang mit einer andern Form des Lichtbogenbrenners veranschaulicht ;
Fig. 7 eine ähnliche Ansicht, welche ein Schaltschema mit Gleichstrom umgekehrter Polarität einer abgewandelten Ausführungsform der wassergekühlten Elektrode des Lichtbogenbrenners veranschaulicht ; Fig. 8 eine ähnliche Darstellung einer fächerförmigen Abwandlung des Lichtbogens gemäss der Erfindung ; Fig. 9 einen Querschnitt längs der Linie 9 - 9 der Fig. 8 ; Fig. 10 einen teilweisen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch eine Abwandlung mit geteiltem Lichtbogen ; Fig. 11 einen Querschnitt längs der Linie 11 - 11 der Fig. 10 ; Fig. 12-15 graphische Darstellungen der Betriebsbedingungen ; Fig. 16 einen Vertikalschnitt einer Lichtbogenbrenneranordnung, welche eine andere Ausführung !-* form der Erfindung veranschaulicht ;
Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Abwandlung der Erfindung, bei welcher die Lichtbogenelektroden ein hitzebeständiger Metallstab und ein sich nicht verbrauchender Ringkörper sind ; Fig. 18 eine perspektivische Ansicht einer weiteren abgewandelten Ausfüh- rungsform, bei welcher vier Elektroden, nämlich ein Stab, eine Düse, ein Ringkörper und das Werkstück verwendet werden ; Fig. 19 einen Vertikalschnitt durch eine Abwandlung eines Lichtbogenbrenners mit drei Elektroden ; Fig. 20 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäss der Erfindung mit Mitteln zum Zuführen einer abschmelzenden Elektrode in die aus einem Lichtbogenbrenner austretende Ausströmung ; Fig. 21 einen Vertikalschnitt durch einen Lichtbogenbrenner gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ;
Fig. 22 eine Ansicht, hauptsächlich im Seitenaufriss einer Anordnung gemäss der Erfindung zum Schneiden von Platten ; Fig. 23 einen Seitenaufriss eines Brennschnittspaltes, der sich bei der Verwendung von Argon mit dem Lichtbogen ergibt, und Fig. 24 eine ähnliche Ansicht einer Brennschnittspaltwandung, die sich bei der Verwendung eines Wasserstoff enthaltenden Gasstromes mit dem Lichtbogen ergibt.
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Es versteht sich, dass den erfindungsgemässen Abwandlungen der Grundausführung des Brenners nach den Fig. 1 und 2 ein geeignetes Gas wie Ar, He, H, N oder Gemische derselben zugeführt werden kann, wobei das Gas vorzugsweise in einem ringförmigen Strom axial um eine geeignete Primärelektrode 10 strömt und durch eine Düse 12, die mit einem inneren Durchlass 13 versehen ist, in welchem der Durchfluss entweder durch die ansaugende Wirkung des Lichtbogens selbst oder durch die Zuführung dieses Gases unter Druck stattfindet. Bei einer typischen Ausführungsform ist die Elektrode 10 ein Stab und mit einer Lichtbogenansatzspitze ausgestattet, die axial ausgerichtet mit und nahe einem Ende der Düse 12 vorgesehen ist.
Die andere Primärelektrode kann beispielsweise ein Metallwerhstücb wie die Platte 14 sein.
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dem Fall sind die Primärelektroden mit einer geeigneten Gleichstrom-oder Wechselstromquelle über Leitungen 20 und 22 verbunden. Aus dem Auslass der Düse 12 des Brenners tritt eine ausserordentlich heisse, elektrisch leitende Ausströmung 24 aus.
In jedem Fall formt und richtet der Düsendurchlass 13 den Liehtbogenstramg seitlich und engt ihn in veränderlichem Ausmass ein. Eine solche Formung und Einengung des Lichtbogenstranges durch den Dü- sendurchlass 13 erfüllt verschiedene wertvolle Funktionen. Die Spannung des Lichtbogenstranges kann we-
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200 Amp in Argon betragen kann, wobei die höheren Werte dem Strangteil sehr nahe den Elektroden zugeordnet sind, die Lichtbogenspannung in einem eingeengten Argonlichtbogen gemäss der Erfindung nicht weniger als ungefähr 11,8 V/cm bei einer Düse von 6,3 mm innerem Durchmesser, 39, 4 V/cm bei einer
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messer sein kann.
Die höhere Spannung und Leistung und die höhere, mit der Erfindung erzielbare Ausrichtfähigkeit des Energiestromes sind in der nachstehenden Tabelle I veranschaulicht, welche die nach bekannten Verfahren
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(wobeiDüsenform, wie in Fig. 5 gezeigt, verwendet wurde, die weiter unten im einzelnen beschrieben wird), wobei die Schweissnähte an rostsicherem Stahl mit 190/0 Cr - 10% Ni bei 175 Amp Gleichstrom direkter Polarität und einer Schweissgeschwindigkeit von 25,4 cm/min sowie unter dem Schweissbrenner zugeführ- tem Argon ausgeführt wurden.
Tabelle 1
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<tb>
<tb> Lichtbogen-Lichtbogen-Breite <SEP> der <SEP> Schweiss- <SEP> Einbrand <SEP>
<tb> länge <SEP> Spannung <SEP> naht
<tb> mm <SEP> V <SEP> mm <SEP> min
<tb> nicht <SEP> eingeengter <SEP> Lichtbogen <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP> 16 <SEP> 7, <SEP> 8 <SEP> 1, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 9, <SEP> 5 <SEP> is <SEP> 6, <SEP> 1 <SEP> 111 <SEP>
<tb> von <SEP> einer <SEP> Düse <SEP> mit <SEP> 4 <SEP> mm
<tb> innerem <SEP> Durchmesser <SEP> eingeengter <SEP> Lichtbogen <SEP> 9, <SEP> 5 <SEP> 26 <SEP> 6,5 <SEP> 2, <SEP> 3
<tb> 15, <SEP> 9 <SEP> 29 <SEP> 6, <SEP> 7 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
Die Düse 12 kann aus jedem geeigneten festen Material gefertigt und, falls erwünscht, in jeder üblichen Weise gekühlt werden ;
sie kann beispielsweise aus Kupfer bestehen und wassergekühlt sein, ferner aus Wolfram mit Strahlungskühlung, keramischem Material mit oder ohne Wasserkühlung od. dgl.
Die Abmessungen der Düse unterscheiden sich erheblich für die verschiedenen Anwendungszwecke.
Die axiale Länge eines in elektrischer Hinsicht durchgehenden Abschnittes der Düse wird von einem Be-
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nen längere Düsen verwendet werden, doch bestehen diese dann vorzugsweise aus nichtleitendem Material oder weisen elektrisch isolierte Teile auf, wenn sie aus elektrisch leitendem Material zusammengesetzt sind.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, hat ein bekannter von inertem Gas geschützter Lichtbogen 26 zwischen einer S ; : abkathode 10 und einer geschmolzenen flachen Anode 28 die allgemeine Form eines abgerundeten Kegels, der, wenn er von einem ringförmigen Argonstrom geschützt wird, die in den Fig. 3 und 4 angegebenen Abmessungen bei Lichtbogenströmen zwischen 100 und 400 Amp hat. Die charakteristischen Kurven X, Y und Z zeigen, wie die beobachteten Lichtbogendurchmesser jeweils in einem Abstand von 2, 5 ; 7. 6 und 15, 2 mm von der Kathode 10 zunehmen, während der Lichtbogenstrom in jedemFalle zunimmt.
Bei einer Prüfung zeigen die Fig. 3 und 4 beispielsweise, dass eine 6,4 mm Düse gemäss der Erfindung den bei 200 Amp, Kurve X, in Fig. 4 dargestellten Lichtbogenabschnitt einengen und durch Ausrichtung der Ausströmung diesen Durchmesser zum Werkstück richten kann. Bei einem Abstand von IS, 2 mm von der Elektrodenspitze ergibt sich beispielsweise eine Lichtbogenquerschnittsfläche von ungefähr 1/3 des in Fig. 3 gezeigten Lichtbogens.
Ein zum Schweissen von Metall geeigneter Lichtbogenschweissbrenner T weist eine Kupferdüse 30 mit einer Mittelfassung 32 auf, in welche der untere Endabschnitt der Elektrode 10 in einem Abstand zur inneren Wandung und dem Boden dieser Fassung hineintaucht, um zwischen diesen einen Durchlass für das Lichtbogengas vorzusehen. Dieses Gas strömt durch einen länglichen Lichtbogendurchlass oder-öffnung 34, die axial ausgerichtet mit dieser Elektrode ist. Dieser Durchlass ist länglich und führt einen Hilfslichtbogen, der kontinuierlich zwischen der Düse und der Elektrode arbeitet, wenn eine Stromquelle S mit diesem über Leitungen 20, 22 und 38 mit einem Widerstand 40, z. B. einer Lampe oder einer Anzahl Lampen, verbunden ist.
Die Düse 30 ist ferner mit einer ringförmigen Nut 36 in ihrem Boden versehen, die konzentrisch zu der Öffnung 34 liegt, um einen äusseren ringförmigen Strom oder Hülle aus geeignetem Schutzgas, z. B.
Argon oder CO, um die Ausströmung 24 und eine auf dem Werkstück 14 zu schmelzende Zone zu richten. Von diesem Hilfslichtbogen wird ein Hauptlichtbogen 24 zwischen dem Ende der Elektrode 10 und dem Werkstück 14 gezündet, wenn letzteres über die Leitung 48 mit einem Pol der Spannungsquelle verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Düse mit Wasser gekühlt, das durch einen die Fassung 32 umgebenden ringförmigen Durchlass 50 zwangsweise zirkuliert.
Der Brenner gemäss Fig. 5 arbeitet sehr gut, wenn die negative Seite der Gleichstromquelle S mit der Elektrode 10 und die positive Seite über die Leitung 22 mit den Leitungen 38 und 48 verbunden ist. Ein solcher Brenner arbeitet ebenfalls gut, wenn er mit einer Wechselstromquelle verbunden ist. In einem solchen Fall ist die Leitung 48 direkt an einem Pol einer Wechselstromquelle und die Elektrode 10 an dem andernPol angeschlossen. Ein kontinuierlich arbeitender Hilfslichtbogen von z. B. 30 Amp verursacht eine wirksame Zündung, Stabilisierung und Aufrechterhaltung eines Wechselstrom-Hauptschweisslichtbogens.
Ein solcher Hilfslichtbogen kann kontinuierlich arbeiten, sogar während der Tätigkeit des Hauptlichtho- gens.
Im Betrieb wird der Brenner T in der Richtung der Stumpfschweissung im Werkstück 14 bewegt und die Ausströmung 24, die gegen Luft mittels des äusseren ringförmigen Schutzgasstromes 44 geschützt ist, schmilzt eine Naht 51 in das Werkstück, die, wenn sich die Ausströmung 24 weiterbewegt, abkühlt und verfestigt. Ein bemerkenswertes Kennzeichen des Brenners T ist, dass die Ausströmung gut ausgerichtet ist und nur eine ausserordentlich geringe Unregelmässigkeit in den Abmessungen der Schweissnaht hervorruft, u. zw. über einen weiten Bereich des Brennerabstandes zum Werkstück, wie aus Tabelle I hervorgeht. Der Brenner ist ferner gut zum Flanschschweissen von Blechteilen bei hoher Geschwindigkeit geeignet.
Ein kleiner Lichtbogenbrenner, wie der In Fig. 5 gezeigte, wurde zum Schweissen von 0, 18 mm starken rostsicheren Stahlplatten bei einer Geschwindigkeit von 63,5 cm/min unter Anwendung von 15 Amp Gleichstrom direkter Polarität verwendet, wobei 21, 2 l/h Argon durch eine Mittelöffnung von 1, 6 mm Durchmesser und etwa 710 l/h Argon in der äusseren Hülle zugeführt wurden. Die Ausströmung 24 war stabil, leicht zu regeln und zeigte keine Neigung zum Wandern, selbst bei Stromstärken in der Grössenordnung von nur 8 Amp.
Wie In Fig. 6 gezeigt, wird ein Brenner Tl gemäss der Erfindung vorgesehen, der eine Primärelektto- de 10 aufweist, die axial in einer zylindrischen Trommel 52 angeordnet ist, in deren Ende eine Düse 54 befestigt Ist, die einen Mitteldurchlass 55 aufweist, in welches sich das untere Ende der Elektrode 10 er-
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<tb>
<tb> Material <SEP> Dicke <SEP> Geschwindigkeit <SEP> Stromstärke <SEP> Spannung <SEP> Argon
<tb> (Platte) <SEP> mm <SEP> cm/min <SEP> Amp <SEP> V <SEP> 1/h <SEP>
<tb> Aluminium <SEP> 6,4 <SEP> 366 <SEP> 340 <SEP> 56 <SEP> 3120
<tb> Aluminium <SEP> 12,7 <SEP> 178 <SEP> 380 <SEP> 66 <SEP> 3120
<tb> Aluminium <SEP> 19,8 <SEP> 76 <SEP> 260 <SEP> 64 <SEP> 2830
<tb> Aluminium <SEP> 25,4 <SEP> 38 <SEP> 260 <SEP> 75 <SEP> 3120
<tb> Messing <SEP> 6,
4 <SEP> 254 <SEP> 280 <SEP> 69 <SEP> 3120
<tb> Messing <SEP> 12,7 <SEP> 76 <SEP> 270 <SEP> 69 <SEP> 3120
<tb> Kupfer <SEP> 6,4 <SEP> 114 <SEP> 340 <SEP> 66 <SEP> 3120
<tb> Magnesium <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP> 366 <SEP> 250 <SEP> 54 <SEP> 3120
<tb> Magnesium <SEP> 19,8 <SEP> 279 <SEP> 460 <SEP> 60 <SEP> 3120
<tb>
In Fig. 7 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt mit einemLichtbogenbren- ner T2, der eine flüssigkeitsgekühlte Anode 76 aufweist, die mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle S über eine Leitung 78 verbunden ist.
Eine zusammengesetzte topfförmige Düse 80 des Brenners ist so angeschlossen, dass sie eine Seknndärkathode bildet, indem sie mit dem negativen Pol der Stromquel-
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LeitungTabelle III
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<tb>
<tb> Argonstrom <SEP> = <SEP> Null <SEP> Argonstrom <SEP> 566 <SEP> l/h
<tb> Erzeugte <SEP> Span-An <SEP> Werkstück <SEP> ab- <SEP> Erzeugte <SEP> Span- <SEP> An <SEP> Werkstück <SEP> ab- <SEP>
<tb> nung <SEP> in <SEP> V <SEP> gegebene <SEP> Span- <SEP> nung <SEP> in <SEP> V <SEP> gegebene <SEP> SpanVon <SEP> nung <SEP> in <SEP> V <SEP> nung <SEP> in <SEP> V
<tb> Lichtbogenplasma
<tb> in <SEP> der <SEP> Düse <SEP> 12 <SEP> 0 <SEP> 16 <SEP> 8
<tb> Lichtbogenplasma
<tb> ausserhalb <SEP> der <SEP> Düse <SEP> 5 <SEP> 2 <SEP> 6 <SEP> 5 <SEP>
<tb> Elektronenkondensation <SEP> 7 <SEP> 7
<SEP> 7 <SEP> 7
<tb> Gesamt <SEP> 24 <SEP> 9 <SEP> 29 <SEP> 20
<tb> Wirkungsgrad <SEP> 35% <SEP> 70% <SEP>
<tb>
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bogenlänge ausserhalb der Düse von 6,4 mm auf 3, 2 mm geändert, bei einer gleichzeitigen Änderung des Stromes von 100 auf 130 Amp. Die Stromstärke des bekannten argongeschützten Lichtbogens mit sich nicht verbrauchender Elektrode würde sich bei der gleichen Stromquelle um ein Vielfaches hievon ändern.
Der Lichtbogenbrenner gemäss der Erfindung wurde mit He, N und H Gasen sowie mit Gemischen
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im Argonvolumenrekter Polarität gezeigt. Die Erfindung ist jedoch nicht notwendigerweise auf diese Gase beschränkt, da auch jedes andere geeignete Gas oder Gemisch von Gasen verwendet werden kann.
Zu den Merkmalen der Erfindung gehören :
1. Die Düse ist keine Primärelektrode, sondern nur eine Sekundärelektrode in solchen Fällen, in denen ein Hilfslichtbogen verwendet wird.
2. Da die durch Einengung des Lichtbogens entwickelte höhere Lichtbogenleistung nur zum Teil an die den Lichtbogen formende Düse verlorengeht, werden unerwartet grosse Mengen an zusätzlicher Energie in Form von Wärme in das Werkstück geführt.
3. Da die die Ausströmung regelnde Düse sich praktisch nicht verbraucht, wird die Verschmutzung auf ein Minimum herabgesetzt und-eine wirtschaftlich brauchbare Lebensdauer der Düse erreicht.
4. Es ist bemerkenswert, dass eine aus einem elektrischen Leiter, z. B. Metall, bestehende Düse überhaupt ohne"Lichtbogenverdopplung"in Reihe mit der Düse arbeiten kann, d. h. ohne die Bildung eines Lichtbogens zwischen der primären Brennerelektrode und der Düse und eines zweiten Lichtbogens zwischen der Düse und dem Werkstück In Reihenschaltung.
5. Es ist ferner erwähnenswert, dass der Hauptlichtbogen bei den Gasgeschwindigkeiten in dem Lichtbogenstrang bis herauf zu Tausenden von Metern pro Sekunde nicht ausgelöscht wird.
6. Der bekannte Lichtbogen war bisher die gebräuchlichste und stärkste (wirtschaftlichste) Wärmequelle zum Erhitzen von Metall. Die Erfindung übertrifft diesen bekannten und gebräuchlichen Vergleichsgegenstand um das Vielfache, u. zw. aus folgenden Gründen : a) Der Lichtbogen kann geformt werden, um seine Querschnittsfläche zu verringern. Beispielsweise ist ein Lichtbogen, dessen Querschnitt von 11,5 mm auf 3,2 mm verringert wurde, allein auf Grund dieser Einengung zwölfmal intensiver. b) Die vom Lichtbogen bei gegebener Stromstärke und Länge entwickelte Hitze wird erhöht durch Spannung-un dadurch Leistungserhöhung auf Grund der Einengung und der Gasströmung, von der ein grosser Teil auf Lichtbogentemperatur erhitzt wird.
Beispielsweise wird bei 200 Amp und einer Lichtba- genlänge von 12,7 mm sowie bei einem Gasstrom von 2264 l/h Argon durch eine Düse von 3,2 mm innerem Durchmesser die im Brenner gemäss der Erfindung entwickelte Leistung mehr als verdoppelt gegen- über dem bekannten Vergleichsgegenstand. c) Der berechnete Reinertrag der beiden Effekte in den zuletzt gewählten Beispielen ist eine ungefähr 20-fache Zunahme der wirksamen Leistungsilltensität.
7. Die Querschnittsform der aus der Düse austretenden Lichtbogenausströmung entspricht der Querschnittsform des den Lichtbogen einengenden Durchlasses, selbst wenn keine zylindrische Düsengeometrie verwendet wird, vorausgesetzt, dass die Gasgeschwindigkeit ausreichend hoch ist.
8. Ein weiteres wertvolles Merkmal ist. dass der Lichtbogen dazu gebracht werden kann, sich selbst freiwillig in eine vielfache Ausströmung aufzuteilen, die den hiefür vorgesehenen verfügbaren Düsendurchlässen entspricht.
9. Im Vergleich mit der Charakteristik des bekannten, nicht eingeengten Lichtbogens mit einer von inertem Gas geschützten, hitzebeständigen Elektrode besitzt der Lichtbogen nach der Erfindung eine steiler ansteigende Volt-Ampere-Charakteristik. Daher kann der Lichtbogenbrenner gemäss der Erfindung zusätzlich zu den üblichen Stromquellen mit "fallender" Charakteristik auch mit Stromquellen verwendet werden, die eine mehr oder weniger flache Volt-Ampere-Charakteristik aufweisen.
Die weiter oben beschriebenen verschiedenen Abwandlungen des Lichtbogenbrenners gemäss der Erfindung weisen nur eine stromführende Hauptelektrode auf und sind daher nur für solche Verfahren geeignet, bei welchen das Werkstück als zweite Elektrode angeschlossen werden kann. Für solche Anwendungszwecke, wo es nicht erwünscht ist, das Werkstück in den Schweissstromkreis einzubeziehen oder wo das Werkstück elektrisch nichtleitend ist, kann der Lichtbogenbrenner so abgewandelt werden, dass er eine zweite Hauptelektrode aufweist, wodurch der Lichtbogenstrahl lediglich durch den Gasdruck gegen das Werkstück gerichtet wird.
Wie in Fig. 16 gezeigt, ist eine Lichtbogenbrenneranordnung mit Elektroden 205 und 206 vorgesehen, die mit entgegengesetzen Polen einer geeigneten elektrischen Stromquelle 207, z. B. einem Generator,
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verbunden sind, um einen Hochdrucklichtbogen zwischen diesen Elektroden zu zünden. Die Elektrode 205 besteht vorzugsweise aus einem thorierten Wolframstab, während die Elektrode 206 vorzugsweise eine rohrförnigeDüse aus Kupfer ist, die einen Auslass 20 aufweist, der mit dem Lichtbogenende der Stabelektrode 208 axial ausgerichtet ist. Die Düse ist mit einem ringförmigen Kühhrasserdurchlass 209 um diese Öffnung herum versehen, so dass die ringförmige Elektrode sich im Gebrauch praktisch nicht verbraucht.
Gas, z. B. Argon, das unter einem Druck von ungefähr zwei Atmosphären steht, wird in die Kammer 210 in der Düse 206 zwischen den Elektroden abgegeben, so dass der Lichtbogen durch den Gasstrom in die Öffnung 208 hineingezwungen wird. Durch den Lichtbogen in dieser Öffnung wird das Gas ionisiert, wird ferner in die Querschnittsform der Öffnung gezwungen und wird dann als eine sehr heisse strangförmige Ausströmung 211 abgegeben, die eine solche Form noch über eine erhebliche Strecke nach dem Verlassen der Düse beibehält. Im Betrieb wird die Ausströmung 211 einem Werkstück 212 zugeführt, das, wie in Fig. 16 gezeigt, nicht im elektrischen Kreis des Lichtbogens liegt.
Die maximale Querschnittsfläche des Durchlasses 208 ist nicht grösser als die Querschnittsf'1. äche eines natürlichen Hochdruck-Lichtbogens bei gleicher Stromstärke, so dass der Durchlass 208 den Lichtbogen einengt und das durch ihn hindurchfliessende Gas ionisiert. Die Länge des Durchlasses 20S zwischen dem kleinsten Querschnitt desselben und dem Auslass ist nicht grösser als das Sechsfache der kleinsten Abmessung dieses Durchlasses. Der eintretende Gasstrom zwingt den Lichtbogen in den Durchlass 208 und führt dazu, dass ein strahlartiger Strang der erhitzten Ausströmung aus dem andern Ende des Durchlasses austritt.
Der Elektrodenringraum besteht vorzugsweise aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B.
Wolfram, wenn er als Kathode verwendet werden soll, wie bei Schaltungen mit Gleichstrom umgekehrter Polarität und im Falle von Wechselstrom.
In der in Fig. 17 gezeigten abgewandelten Ausführungsform der Erfindung wird ebenfalls ein geeignetes Lichtbogengas 213, wie z. B. Argon, zugeführt, das vorzugsweise in einem ringförmigen Strom um eine geeignete Elektrode 205 und dann durch eine geeignete Düse 214 strömt, die mit einem einengenden länglichen Durchlass 215 versehen ist. In einem typischen Beispiel der Erfindung ist die Elektrode 205 ein mit einerlichtbogenspitze 216 versehener Stab, der mit einem Ende angrenzend an das eine Ende der Düse 214 axial ausgerichtet ist. Die andere Elektrode 217 ist ein Ringkörper, der eine Öffnung 218 bildet, die koaxial mit der Düse 214 gegenüber der Elektrode 205 angeordnet ist. Die Elektroden 205 und 217 sind mit einer geeigneten elektrischen Stromquelle mittels Leitungen 219 und 219'verbunden.
Daher wird der Lichtbogen durch das zwischen den Elektroden 205 und 217 bestehende elektrische Feld in die Düse 214 hinein und durch sie hindurchgezogen und ist damit nicht von der Gaskraft abhängig. Der sich ergebende strahlartige Strang 220 aus heissem ionisierten Gas tritt aus dem offenen Ende der Düse 214 und dann aus der Öffnung 218 des Brenners aus.
Bei der in Fig. 18 gezeigten Abwandlung ist eine Leitung 221 mit der Elektrode 205 und eine Leitung 222 mit der Düse 214, dem Ringkörper 217 und einer Werkstückelektrode 223 über einstellbare Impedanzen, wie Widerstände R1 bzw. R2 bzw. R3 verbunden. In diesem Fall dient der Strom von der Düse 214 zur Elektrode 205 der Zündung eines Hilfslichtbogens und eine geeignete Einstellung der Widerstände bewirkt, dass sich der ganze Lichtbogenstrang 224 oder ein Teil desselben zu der Öffnung 218 hin und durch diese hindurch erstreckt und/oder zum Werkstück 223, wodurch eine einfache aber dennoch empfindliche Steuerung der Wärmeverteilung geschaffen wird. In jedemFall engen dieLichtbogendurchlässe den Lichtbogenstrang oder die Ausströmung 224 seitlich ein.
Die Düse und der Ringkörper können aus jedem geeigneten Material wie Kupfer und/oder Wolfram bestehen und mit Wasser gekühlt werden. Jedoch können sie auch aus einem andern geeigneten wärmeleitenden festen Material hergestellt und auf andere bequeme Art gekühlt werden.
Wie in Fig. 19 gezeigt, ist ein Brenner T4 gemäss der Erfindung vorgesehen, der eine zylindrische Hülle 226 aufweist, an deren unterem Ende ein Topf 228 angebracht ist. Der Topf ist elektrisch gegen die Hülle mittels eines Ringkörpers 230 aus geeignetem Isoliermaterial isoliert und mit einem inneren ringförmigen Durchlass 232 versehen, durch welchen eine Kühlflüssigkeit wie Wasser zwischen einem Wasser-
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nung 238 gebildet wird, die eine zylindrische Wandung besitzt, die mit einer bleistiftförmigen Kathode 240 axial ausgerichtet ist, welche aus hitzebeständigem leitendem Material wie thoriertem Wolfram besteht. Die Kathode 240 wird durch entsprechende Mittel in einem ringförmigen Körper 242 des Brenners an Ort und Stelle gehalten, an welchem die Hülle 226 befestigt ist.
Das Lichtbogenende der Kathode 240 ist axial in einer Düse 246 angeordnet, die eine Mittelbohrung 248 aufweist, deren zylindrische Wandung den Endabschnitt der Kathode 240 im Abstand und konzentrisch umgibt und dadurch einen ringförmigen Durchlass 250 für den Strom eines geeigneten Gases, in diesem
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Fall Argon, bildet, das durch das Innere der Hülle 226 zugeführt wird. Die Düse 246 ist mit einem ringförmigen Flansch 252 an ihrem unteren Ende versehen, der in den inneren unteren Endabschnitt der Hülle 226 eingeschraubt ist, wobei die Verbindung durch einen Silikongummi-O-Ring 251 abgedichtet wird, der zwischen der oberen Kante des Flansches und einer Schulter 254 in der Hülle angeordnet ist.
Der Körper der Düse ist im Abstand von der inneren Wandung der Hülle vorgesehen, um einen zylindrischen Raum 256 zum Zirkulieren einer Kühlflüssigkeit wie Wasser dazwischen zu bilden, das in diesen Raum durch einen Einlass 258 eintritt und aus ihm durch einen Auslass 260 in die Wandung der Hülle austritt.
Das obere Ende des Durchlasses 256 wird mittels eines 0-Ringes 262 abgedichtet, der zwischen der Düse und der Hülle vorgesehen ist.
Die Kathode 240 ist mit dem negativen Pol einer Stromquelle S durch geeignete Schaltmittel, die eine Leitung 264 aufweisen, elektrisch verbunden. Im Falle von Gleichstrom wird der positive Pol dieser Stromquelle S durch einen elektrischen Leiter 266 aufweisende Mittel elektrisch mit dem Topf 228 verbunden und mit der Hülle 226 über eine parallele Leitung 268, die einen Belastungswiderstand 270 aufweist. Der. Topf ist so geformt, dass er eine innere Kammer 272 mit einem seitlichen Einlass 274 zum Einführen eines Materials wie Gas oder Pulver oder Flüssigkeit oder irgendeiner Kombination hievon bildet.
Bei einem Arbeitsbeispiel des Brenners T4, Fig. 19, mit einer Kathode 240 aus Wolfram und mit 3, 2 mm Durchmesser sowie bei Verwendung von 141, 5 bis 1698 l/h Argon, 10 Amp im Hilfslichtbogenstromkreis, der den Widerstand 270 enthält, und 300 Amp im HauptUchtbogenstromkreis bei 40 V wird eine sehr heisse Gasausströmung E erzeugt, die nicht reaktionsfähig ist. Die leuchtende Ausströmungistin ihrem Aussehen einer Oxy-Acetylen-Flamme ähnlich, doch kann sie eine drei bis sechsmal so hohe Temperatur besitzen und lässt sich leicht bis zu 25, 4 cm Länge einstellen. Die Ausströmung E schmilzt Saphire oder Zirkonoxyd und ist zum Erhitzen, Hart- oder Weichlöten oder als Lichtquelle grosser Inten- sität zu verwenden.
Der Brenner T4 kann ferner für chemische Reaktionen verwendet werden, indem ein zweites Gas in die Kammer 272 eingeführt wird. Dieser Brenner ist insofern bemerkenswert, als der Lichtbogendurch Än- derung des Stromes, der Gaszusammensetzung und Gasströmung sowie der Öffnungen eingestellt werden kann, um eine Ausströmung E zu erzeugen, die einmal heiss genug ist, so dass Wolfram geschmolzen werden kann, bei einer andern Einstellung aber nur imstande ist, Holz lediglich zu verkohlen.
Die Gase, die sich zur Verwendung in der Vorrichtung gemäss der Erfindung eignen, können alle Gase sein, die metallurgisch mit den Brennerbestandteilen und mit dem gewünschten Arbeitsvorgang verträglich sind, wie beispielsweise Argon und/oder Wasserstoff.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Anwendungszwecken kann die Ausströmung in wirksamer Weise zum Schneiden, Bohren, Trennen, Schärfen, Kehlen und Schälen eines Werkstückes verwendet werden, indem diese Ausströmung einfach auf das Werkstück geführt wird und beide dann relativ zueinander, wie es erforderlich ist, bewegt werden. Beim Schälen eines Metallwerkstückes wird die Ausströmung z. B. in einem spitzen Winkel gegen die zu entfernendeOberfläche gerichtet, schmilzt dasOberf1ächenmetall und bläst es weg. Beim Schneiden oder Trennen wird die Ausströmung dazu benutzt, um einen Einschnitt in dem Werkstück zu bilden, indem das Metall fortschreitend geschmolzen und weggeblasen wird längs eines ausgewählten Pfades, wie dies beim Oxy-Acetylen-Verfahren der Fall ist.
Die Abscheidung von Schweissmetall, z. B. beim Schweissen und Metallplattieren, wird vorzugsweise gemäss der Erfindung ausgeführt, indem eine strahlartige Ausströmung zwischen einer Stabelektrode und einer abschmelzenden Drahtelektrode gebildet wird. Die Ausströmung führt das vom Draht gelieferte geschmolzene Metall zwangsweise zum Werkstück, das ausserdem mittels der Ausströmung auf jede gewünsche Temperatur entsprechend den Einbranderfordernissen erhitzt wird. Die den Sprühregen aufnehmende feste Werkstückoberfläche kann, wenn sie elektrisch leitend ist, ebenfalls mit der Stromquelle verbunden werden und durch Errichtung eines Lichtbogenkreises zum Werkstück zusätzlich erhitzt werden.
Fig. 20 zeigt einen Lichtbogenbrenner 301 mit einer Stabelekcrode 302 und einer wassergekühlten Düse 303, die eine Öffnung 304 aufweist, durch welche ein elektrischer Lichtbogen 305 zum Ende des zu schmelzenden Metalldrahtes 306 gezündet wird. Der Draht 306, der eine Elektrode des Hauptlichtbogens ist, wird fortlaufend durch eine Pistole 307 mittels einer üblichen Drahtzuführungsvorrichtung SOS in die Lichtbogenzone geführt. Eine elektrische Stromquelle 309 ist mit der Lichtbögenbrennerelektrode 302 und dem sich verbrauchenden Draht über Leitungen 310 bzw. 311 verbunden. Diese Stromquelle 309 kann entweder eine Gleichstrom- oder eine Wechselstromquelle oder überhaupt jede geeignete elektrische Schweissstromquelle sein.
In der Zeichnung ist eine Gleichstromquelle für direkte Polarität (Brennerelek- trode negativ) gezeigt. Falls erwünscht, kann ein Hilfslichtbogen zwischen der Brennerelektrode 302 und
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der Öffnungswandung aufrechterhalten werden, indem die Düse 303 mit der Stromquelle 309 über geeignete Impedanzen, wie einen Widerstand 312, verbunden wird. Ausserdem kann, wenn das SprUhmateri- al 313 auf einem elektrischen Leiter abgeschieden wird, ein weiterer Lichtbogenkreis 314 zum Werkstück 315 errichtet werden. Eine solche Anordnung mit einer getrennten Stromquelle 316 ist in gestrichelten Linien veranschaulicht.
Die Lichtbogenbrennerelektrode 302 ist nicht abschmelzend und kann entweder ein üblicher Wolframstab oder eine innen wassergekühlte Elektrode aus Kupfer sein. Die erstgenannte Art eignet sich für Gleichstrom jeder Polarität sowie für Wechselstrom. Die wassergekühlte Art eignet sich vor allem für Gleichstrom umgekehrter Polarität (Brennerelektrode positiv) und kann zusammen mit stärker aktiven Gasen als der Wolframstab verwendet werden.
Das zu versprühende Material wird üblicherweise in Draht-oder Streifenform geliefert, so dass es fortlaufend in den Lichtbogen geführt werden kann, und muss selbstverständlich ein elektrischer Leiter sein, wenn es, was zu bevorzugen ist, eine Lichtbogenhauptelektrode ist. Aluminium, rost sicherer Stahl und reiner Stahl oder auch andere Metalle wie Kupfer und seine Legierungen können hiefür verwendet werden. Ausserdem können andere Materialien oder Flussmittel in einfacher Weise als Überzüge auf dem Draht oder als in dem Draht wie in einer Röhre enthalten zugesetzt werden. Auf diese Weise können gegen Abnutzung widerstandsfähige Materialien wie Karbide. zugeführt werden.
Ein geeignetes Gas wird in den Lichtbogenbrenner in den ringförmigen Raum zwischen der Elektrode 302 und dem axialen Durchlass 31q in der Düse eingeführt, der zu der Öffnung 304 führt. Das Lichtbogenbrennergas kann jedes der bekannten Schutzgase sein (Argon, Helium, Wasserstoff usw.), die bei Schweissverfahren Anwendung finden, u. zw., falls erwünscht, einschliesslich solcher Gase wie Chlorosilan. Zusätzliches Schutzgas kann auf einfache Weise vorgesehen werden, indem ein äusserer konzentrischer Gasbecher 318 um die Lichtbogenbrennerdüse herum angeordnet wird, oder indem das gesamte Verfahren in einer geschlossenen Kammer ausgeführt wird.
Eine Anordnung mit zwei Generatoren der gezeigten Art arbeitet wie folgt : Die an den Lichtbogenbrennerdraht angeschlossene Stromquelle 309 lieferte 195 Amp Gleichstrom direkter Polarität, der Gasstrom betrug 383 l/h Argon durch eine Öffnung 304 von 3,2 mm Durchmesser, ein rostsicherer Stahldraht 306 von 1, 6 mm Durchmesser wurde mit einer Geschwindigkeit von 381 cm/min zugeführt und an der Leitung 311 wurde ein Strom von 285 Amp gemessen. Der Strom in dem Draht zum Grundplattenkreis 314 betrug 90 Amp Gleichstrom direkter Polarität. Das Werkstück war eine 6, 4 mm dicke kaltgewalzteStahl- platte, die horizontal mit 25,4 cm/min bewegt wurde. Es war keine besondere Vorbehandlung des Werkstückes erforderlich.
In der Anordnung ergaben sich folgende Abstände : 6,4 mm Lichtbogenabstand zwi- schen Brennerdüse und Draht + 4, 8 mm Elektroden-Zurückversetzung = 11, 2 mm Gesamtllchtbogenlänge ; 31, 8 mm zwischen Draht und Platte. Die sich ergebende Abscheidung zeigte im Querschnitt einen sehr flachen Einbrand. Eine starke Plattierungsschicht 327 von ungefähr 5, l mm Stärke wurde auf der Grundplatte 315 gebildet und sicher mit dieser verbunden bei einem Einbrand von weniger als 0,8 mm in die Grundplatte. Das einzelne Band war ungefähr 8,0 mm breit. Es war unmöglich, das Plattierungsband von der Stahlgrundplatte herunterzureissen.
Drähte aus Aluminium, rostsicherem Stahl und ebenso auch aus reinem Stahl wurden in den Lichtbogenbrenner eingeführt, wie in den Zeichnungen dargestellt ist, ohne den Stromkreis 314 zwischen Draht und Werkstück. Lichtbogenbrenner- und Drahtströme von 120 bis 200 Amp Gleichstrom direkter Polarität wurden bei einem Argonstrom von 283 bis 1115 l/h durch eine Öffnung von 3, 2 mm Durchmesser verwendet, was einen Sprühregen aus geschmolzenem Metall von Draht erzeugte. Bei geeigneten Abständen wurden die versprühbaren Metalle sicher an festen Flächen angebracht, wie z. B. auf Ziegelstein, kaltgewalztem Stahl und Aluminium.
Ein dichter Abstand zwischen Draht und Werkstück von ungefähr 6, 4- 12, 7 mm hatte das Bohren von Löchern in das Werkstückgrundmaterial, einschliesslich des Ziegelsteines, zur Folge. In den freien Raum geschleudert, wurde der Sprühregen in der Horizontalen kraftvoll über 3 m weit geworfen. Dies zeigt, dass die Arbeitsvorgänge zum Plattieren in jeder Stellung ausgeführt werden können.
Dieses Plattierungsverfahren ist ferner ein gutes Verfahren zum Verbinden von Metallen. Die Lichtbogenkreise können so gesteuert werden, dass jedes gewünschte Ausmass beim Schmelzen des Grundmetalles erreicht werden kann. Hiedurch wird die Verdünnung des Schweissmetalles gesteuert. Dieser Verbindungsfaktor ist bei der Herstellung von Metallen wie Gusseisen, Aluminium und bestimmten hochlegierten Stählen für spezielle Zwecke von besonderer Bedeutung. Eine 6, 4 mm dicke Flussstahlplatte mit einer 60-grädigen V-Naht-Kantenvorbereitung wurde gemäss der Erfindung mit einem deoxydierten Stahldraht geschweisst. Die Prüfung eines geätzten Querschnittes der Schweissung zeigte fast keinen Einbrand des Schweissmetalles in die Grundplatte.
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Eine bevorzugte bauliche Anordnung einesLichtbogenbrenners gemäss der Erfindung ist in Fig. 21 dargestellt.
Der Brenner weist einen Brennerkörper B mit einer Bohrung auf, deren unteres Ende mit einem Gewinde zur Aufnahme eines Elektrodenhalters H versehen ist. Ein Kragen C in dem Halter H liegt gegen ein Widerlager im oberen Ende des Brennerkörpers B an und der Halter H besitzt eine konische innere Bodenfläche, um den Kragen einzuzwängen, wenn der Halter H in den Brenner B eingeschraubt wird. Ein Isolierring I ist auf die Aussenseite des Bodens desBrennerkörpers B und eine Düse N auf die Aussenseite der Isolierung I aufgeschraubt.
Der Brennerkörper B besitzt einen Einlass 410 für Schutzgas, der sich in eine ringförmige Kammer zwischen dem Kragenknopf und dem oberen Ende des Elektrodenhalter-s H öffnet, durch welche das Gas innerhalb des Halters und ausserhalb des Kragens abwärts strömt und dann weiter durch die Kragenschlitze und durch den Boden des Halters. Der Brennerkörper B weist ferner einen Einlass 412 für Kühlwasser auf, von dem nicht veranschaulichte Durchlässe zu einer ringförmigen Nut 414 im Brennerkörper führen. Die Einlassleitung für den Schweissstrom ist in üblicher Weise durch die Wasserauslassleitung hindurchgeführt.
Der Elektrodenhalter H weist einen oberen rohrförmigen Abschnitt 416 auf, der sich praktisch gleichweit wie der Kragen erstreckt, weiter einen Kragenzwischeuteil 418 unterhalb des Bodens des Brennerkörpers B und grösser als die Bohrung in diesem, sowie einen Ansatz 420, der bis unter den Kragenteil 418 herunterreicht. Im rohrförmigen Abschnitt 416 sind Längsnuten 422 ausgebildet und der Kragenteil 418 verbindet die Brennerkörpernut 414 mit dem Raum unterhalb des Brennerkörpers B.
Die Düse N weist einen oberen äusseren Mantelteil 424 auf, der auf den Isolierring I aufgeschraubt ist und sich bis unter diesen entsprechend der Tiefe des Kragenteiles 418 erstreckt, um einen Wassermantel 426 einzuschliessen. Unterhalb des Wassermantels weist die Düse einen dicken Wandungsteil 428 mit einer Mittelbohrung von oben grösserem und unten kleinerem Durchmesser zur Aufnahme einer hitzebeständigen keramischen Isolierauskleidung 430 auf. Die Auskleidung 430 besitzt einen oberen Rand 432, welcher den Haltereinsatz 420 umgibt, sowie einen unteren Mantelteil 434 mit praktisch den gleichen inneren und äusseren Durchmessern wie der Einsatz 420 und ausgerichtet mit diesem.
Der Wassermantel 426 wird durch eine zusammendrückbare Dichtung 436 abgedichtet, die auf einer ringförmigen Schulter aufgepasst ist, die von der Oberseite des dicken Wandungsteiles. 428 gebildet wird, und diese Dichtung436 erstreckt sich einwärts über die Oberseite desKeramikrandes432. Die Dichtung 436 ist gegen den Boden des Kragenteils 418 zusammendrückbar, wenn der Düsenmantelteil 424 auf den Isolierring I aufgeschraubt wird.
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dem keramischen Mantel 434 ausgerichtet ist. Diese Bohrung im Halter 438 ist zur Aufnahme eines austauschbaren elektrisch leitenden Einsatzes 440 vergrössert. Dieser Einsatz 440 besitzt einen oberen röhrenförmigen Abschnitt und einen unteren verjüngten Abschnitt, der in einem Kopf oder Rand 442 endet.
Der dicke Düsenwandungsteil 428 ist mit Bohrungen zur Bildung von Durchlässen 444 ausgestattet, die von dem Düsenmantel 426 kommen, und der Einsatzhalterteil 438 ist mit Bohrungen zur Bildung von Durchlässen 446 versehen, die mit den Durchlässen 444 ausgerichtet sind, wenn der Halterteil 438 an dem dicken Wandungsteil 428 z. B. mittels Silberlot fest angebracht ist. Diese Durchlässe 446 stehen mit dem wassergekühlten Mantel 448 in Verbindung, der zwischen dem verjüngten Abschnitt des Einsatzes 440 und der Innenseite der Bohrung im Einsatzhalter ausgebildet ist.
Eine den Einsatz haltende Hutmutter 450 ist auf die Aussenseite des Einsatzhalters 438 aufgeschraubt und besitzt einen einwärts gedrehten Rand, der unter dem Einsatzkopf 443 liegt. Die Bohrung des Einsatzhalters 438 ist mit einer Nut zur Aufnahme eines 0-Ringes 451 versehen, durch welchen der obere röhrenförmige Abschnitt des Einsatzes 440 hindurchgreift, wenn der Einsatz in die Bohrung eintritt. Eine Dichtung 452 wird durch den Einsatzkopf 442 gegen den Boden des Einsatzhalters 438 zusammengedrückt, wenn die Mutter 450 angezogen wird. Der äussere Rand der Mutter 450 ist mit einem Ring 454 aus Isollermaterial versehen, um die Bildung eines Lichtbogens von diesem zum Werkstück zu verhindern.
Ein Einlassring 456 aus leitendem Material ist zwischen dem Düsenmantelteil 424 und dem Isolierring I eingeklemmt und trägt eine Anschlussklemme für eine Leitung 458 für Hochfrequenz-Startstrom.
Auf Grund der keramischen Auskleidung 430 sind die Düsenabschnitte 424 und 428 gegen den Elektro denhalter H isoliert und ein Hilfslichtbogen wird zwischen dem Einsatz 440 und der Spitze der Stabelektrode E gezündet, während der Hauptlichtbogen zwischen der Stabelektrode E und dem Werkstück gebildet wird.
Wahlweise kann die mit dem Einsatz vereinigte Anschlussklemme auch in einen Hauptlichtbogenarbeitskreis eingeschaltet werden, der das Werkstück enthält, wodurch der Arbeitslichtbogen zwischen der
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Stabelektrode E und dem Einsatz 440 gebildet wird. Obgleich unter diesen Umständen der Lichtbogen durch den beschränktenDurchlass in dem Einsatz aufGrund der Kraft des Gasstromes allein hindurchgeführt wird, wird nichtsdestoweniger die charakteristische strahlartige Ausströmung hoher Wärmeintensität er" zeugt.
Das Äussere der Düse N ist von einer flexiblen Gummihülle oder Umkleidung 460 bedeckt, welche die Leitung im Ring 456 umhüllt und die aufgerollt werden kann, um den Zugang zur Hutmutter 450 zwecks Austausch des Einsatzes 440 zu ermöglichen.
Für solche Zwecke wie Schneiden, Bohren, Kehlen oder Schälen mittels Lichtbogen hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, gemäss einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung die Ausströmung mit Hilfe eines Gasstromes zu bilden, der mindestens 1U Wasserstoff enthält.
Falls erwünscht, kann das Werkstück in den Lichtbogenkreis einbezogen werden und die Ausströmung
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Spalt in diesem längs eines gewünschten Pfades zu bilden. Der Wasserstoff hat die günstigen Wirkungen, dass die Schlackenbildung wesentlich herabgesetzt, die Qualität der auf diese Weise geschnittenen Fläche verbessert und ausserdem die Leistungsfähigkeit und Geschwindigkeit des Schneidvorganges erhöht wird.
Weiter kann gemäss der Erfindung die Metallentfernung thermochemisch unterstützt werden, indem ein gesonderter Strom eines Hilfspulver enthaltenden Mittels in die Ausströmung an dem für diese Zwecke am besten geeigneten Punkt eingeführt wird. Auch ein etwaiger Schlackenrest, der sich auf andere Art und Weise ergeben kann, lässt sich dadurch entfernen, dass ein Hilfsstrahl eines geeigneten Mittels, einer Flamme oder eines Lichtbogens gegen diese Schlacke gerichtet wird, während sie noch geschmolzen ist.
Wie in Fig. 22 gezeigt, wird ein mit Wasserstoff zu verwendendes ausgewähltes Gas unter Druck mit einer Quelle 510 durch eine Zufuhrleitung 511 mit einem Ventil 512 und einem Druckregler 515 eingeführt, die zum Lichtbogenbrenner 516 führt. Das Wasserstoffgas wird in ähnlicher Weise von einer Quelle 510'zu der Gasleitung 515 durch eine Zuführleitung 517 mit einem Ventil 518 und einem Druckreg- ler 519 geführt. Der Lichtbogenbrenner 516 ist dem bereits beschriebenen Schneidbrenner insofern gleich, als der Lichtbogen und das Gas eingeengt werden, bevor sie austreten, um eine gemeinsame Ausströ- mung 509 hoher Geschwindigkeit zu bilden. Die Ausströmung 509 wird auf ein Werkstück 520, z.
B. eine Metallplatte gerichtet, die mit einer Seite einer elektrischen Stromquelle 521, z. B. einem Generator, mittels einer Leitung 522 verbunden ist. Die andere Seite der Quelle 521 ist mit der Brennerelektrode über eine Leitung 523 verbunden. Der Brenner 516 wird von einem geschwindigkeitsgeregelten, selbstangetriebenen Wagen 524 getragen, der auf einem Gleis 525 in der zu schneidenden Richtung parallel zur Oberseite dieser Platte läuft.
ImGebrauch tritt die Ausströmung 509 aus dem Brenner 516 aus und der Wagen wird in der gewünschten Richtung verfahren, wodurch die Ausströmung dazu gebracht wird, die Platte, wie in Fig. 22 gezeigt, durch das Schmelzen eines Brennschnittspaltes in dieser zu schneiden.
Um mit dem Lichibogenbreaner-Schneidverfahren Schnitte guter Qualität zu erzielen, ist es wesentlich, dass der Schutzgasatmosphäre Wasserstoff zugesetzt wird. Schon der Zusatz von 1% Wasserstoff zu Argon oder Helium verbessert die Qualität der Brennschnittspaltwandungen gegenüber den normalerweise mit Argon oder Helium erzielten. Die Verbesserung der Qualität nimmt bis zu einem Zusatz von ungefähr 35% Wasserstoff zu Argon zu. Über diesem Prozentsatz bleibt die Qualität verhältnismässig konstant, vorausgesetzt dass die Strömungsgeschwindigkeit der Gaszufuhr zum Brenner proportional der Änderung der Wasserstoffkonzentration des Lichtbogengases erhöht wird, da. Wasserstoff ein sehr leichtes Gas ist.
Daher ist es zur Erzielung von Schnitten guter Qualität unter Verwendung höherer Wasserstoffkonzentration wün-
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und 24. Fig. 23 zeigt eine Brennschnittspaltwandung in einer 19 mm dicken Aluminiumplatte, die rauh und oxydiert aussieht, Schlacken 527 enthält und unter Verwendung lediglich von Argon als Lichtbogenschutzgas geschnitten wurde. Fig. 24 zeigt eine Platte 528 des gleichen Materials, das eine glatte, glänzende Oberfläche mit scharfen Kanten und ohne Schlacken aufweist, die mit einem Gemisch aus 65% Argon und 35% Wasserstoff als Lichtbogengas hergestellt wurde.
Die Verbesserung der Qualität der Erenn- schnittspaltwandung ist höchstwahrscheinlich die Folge davon, dass Wasserstoff ein reduzierendes Gas ist und dadurch verhindert, dass Sauerstoff mit der geschmolzene'l Oberfläche in Berührung kommt. Daher verbessern Wasserstoffzusätze von 1 bis 100U zu inertem Gas die Qualität des Brennschnittspaltes erheb- lieh, wobei die maximale Qualität bei der Verwendung von etwa 35% Wasserstoff erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil des Wasserstoffes ist die Erzielung eines Lichtbogens verhältnismässig hoher Spannung. Dies ist die Folge des Wasserstoffes, der einen hohen elektrischen Widerstand besitzt.. Bei diesem
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Verfahren ist eine hohe Spannung erwünscht, u. zw. besonders beim Schneiden von dicken Platten, damit der Schneidvorgang gezwungen wird, durch die Dicke der Platte hindurchzudringen und gleichzeitig eine ausgezeichnete Qualität des Brennschnittspaltes zu ergeben. Die Anwendung höherer Spannungen erlaubt ferner die Verwendung niedrigerer Stromstärken, um die notwendige Wärmeeingangsleistung zu erzielen.
Da die gegenwärtige Leistungsbegrenztmg der Einrichtung von der Stromführungskapazität abhängig ist, ist es sehr wünschenswert eine hohe Wärmeeingangsleistung mit einer Stromstärke zu haben, die so niedrig wie möglich Ist. Die Spannung des Lichtbogens nimmt zu, wenn auch der Wasserstoffgehalt der Lichtbo- genatmosphäre zunimmt. Infolgedessen ist die Spannung um so höher, je höher die Wasserstoffkonzentration ist. Auch bei konstanter Stromstärke ist es möglich, ein Werkstück mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung von Wagmrstoffzusätzen zu trennen, da die Wärmeeingangsleistung zum Werkstück proportional erhöht wird durch die Zunahme der Spannung.
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lich, dass eine verhältnismässig hohe Leerlaufspannung verwendet wird.
Bei einem Wasserstoffzusatz von 35% zu inertem Gas ist beispielsweise eine Leerlaufspannung von 80 V ausreichend ; während bei Verwendung von 100% Wasserstoff mindestens eine Leerlaufspannung von 160 V erforderlich ist. Die notwendige Leerlaufspannung ist annähernd direkt proportional dem Wasserstoffgehalt der Atmosphäre. Wenn die erforderliche Leerlaufspannung nicht vorgesehen wird, kann der Lichtbogen nicht gezündet werden, da die Strom-Spannungs-Charakteristik des Lichtbogens nicht die Strom-Spannungs-Charakteristik der Leistungsquelle schneidet.
Ein weiterer Vorteil des Zusatzes von Wasserstoff ist die Verminderung des Phänomens der Bildung von Doppellichtbogen, d. h. das Bestreben des Lichtbogens, zwei unabhängige Lichtbogen durch die Düse zu zünden ; das Auftreten dieser Erscheinung beschädigt oder zerstört die Düse. Da Wasserstoff einen sehr hohen elektrischen Widerstand besitzt, bildet es offensichtlich eine Isolierschicht zwischen dem austretenden Lichtbogen und der Innenseite der Düsenöffnung. Diese Isolierschicht verhindert das Bestreben des Lichtbogens, von der Wolfram- oder Kupferelektrode zur Düse und dann zur Grundplatte zu springen.
Weiter ist bei diesem Verfahren die Aufspaltung der Wasserstoffmoleküle in Wasserstoffatome vorteilhaft. Demgemäss werden zwei Gasvolumen für jedes Volumen gemessenen Gases erzeugt, das dissoziiert wird, H2 2H. Diese Spaltung erzeugt zusätzliche hohe Geschwindigkeiten, obwohl Ströme mit geringenGasmengen verwendet werden. Dieser Strahleffekt ist wesentlich für das Verfahren zur Entfernung des geschmolzenen Metalles und der Schlacke von denBrennschnittspaltwandungen. Ausserdem bewirkt die Wiedervereinigung der Wasserstoffmoleküle auf der Grundplatte eine Konzentration und höhere Übertra- gungsleistung der Wärme an genau der gewünschten Stelle.
Je leichter das verwendete Gas ist. um so höher ist die erzielbareGeschwindigkeit. Da atomarer Wasserstoff das leichteste bekannte Gas ist, erzeugt es einen Strahl ausserordentlich hoher Geschwindigkeit mit gleichzeitiger hoher Wärmeintensität, welche das Metall in dem Brennschnittspalt schmilzt und entfernt und die Brennschnittspaltwandnngen mechanisch reinigt.
Empfehlenswert ist eine Atmosphäre aus dem Gemisch von 800/0 Argon und 200/0 Wasserstoff zum Hand- schneiden und von 650 Argon und 35% Wasserstoff für maschinelles Schneiden. Die Verwendung dieser Gemische beruht darauf, dass die Leerlaufspannung auf ein Maximum von 100 V beschränkt ist. Der untere Prozentsatz des Wasserstoffzusatzes wird empfohlen, um den kritischen Punkt der Lichtbogenlänge herabzusetzen, wodurch Lichtbogenlängenänderungen durch die Bedienungsperson statthaft sind. Gleichzeitig kann, wenn eine Leerlaufspannung von mindestens 160 V verwendet wird, reiner Wasserstoff in zufriedenstellender Weise verwendet werden.
Das nachfolgende Beispiel zeigt die Verbesserung der Wärmeübertragung auf das Werkstück, wenn dem Argongas Wasserstoff in erheblichen Mengen zugesetzt wird. Ein Übertragungs-Lichtbogenbrenner mit einer Wolframelektrode von 3, 2 mm Durchmesser, die um 9, 6 mm von der Kante einer 120 Verjüngung zurückgesetzt war, und mit einer wassergekühlten Kupfer-Brennerdüse mit einer Öffnung von 3, 2 mm wurde auf folgende Weise verwendet : Argongasströme von 0, 28 ; 0, 57 : 1, 14 und 1, 70 m /hwurden mit je- weils 140,260, 185 und 170 Amp Gleichstrom direkter Polarität bei Spannungen zwischen 30 und 50 V zwischen der Wolframelektrode über die Brennerdüse zu einer l, 9 mm dicken kalten Kupferplatte verwendet.
Hieraus ergab sich eine gewisse Verfärbung und nur ein geringes gelegentliches Schmelzen der Kupferwerkstück-Oberfläche..
Diese Versuche wurden mit dem Zusatz von Wasserstoff zum Argonlichtbogengas fortgesetzt. Hiebei hat sich herausgestellt, dass der mit einer Leerlaufspannung von 100 V gespeiste Brenner den Lichtbogen nicht zünden und aufrechterhalten kann, bis er zunächst in Argon mit höchstens einem geringen Zusatz
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von Wasserstoff gebildet wurde. Danach war es möglich, den Wasserstoffgehalt auf 25-30% zu erhöhen und den Arbeitslichtbogen aufrechtzuerhalten. Aus diesen Versuchen wurde geschlossen, dass reiner Wasserstoff in einem solchen Brenner über 150 V erfordern würde. Wenn der Wasserstoffgehalt erhöht wurde, nahm die Tiefe der Schmelzung des Kupfers ebenfalls zu.
Bei einem Wasserstoffgehalt von. 25% in Argon mit einer Gesamtströmung von 2, 12 m3/h durch den Brenner sowie bei dem Lichtbogen zugeführten
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einer Arbeitsgeschwindigkeit von 76, 2 cm/min gebildet. Das entfernte Metall wurde aus der Bahn durch den Strahl hoher Geschwindigkeit herausgeblasen.
Auch ein Lichtbogenbrenner mit einer Wolframstabelel {trode von4, 8 mm Durchmesser, die 8,0 mm
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wendet, um eine 2, 54 cm dicke rostsichere Stahlplatte mit einer Geschwindigkeit von 59, 7 cm/min zu schneiden.
Ein anderer Lichtbogenbrenner mit einer Wolframstabelektrode von 3, 2 mm Durchmesser, die 6. 4 mm von der vorderen Brennerfläche zurückversetzt war, und mit einer Öffnung, die aus wassergekühltem Kupfer mit einem Wolframeinsatz von ungefähr 2, 4 mm Länge und einer axialen Bohrung von 2 mm Durchmesser bestand, wurde mit 4,02 m3/h Wasserstoff unter einem Raumdruck von 1, 09 kg/cm2 oberhalb atmosphärischem Druck sowie bei 215 Amp Gleichstrom und 93 V zwischen der Wolframstabelektrode und der Düse verwendet. Der aus dem Lichtbogen durch die Düse austretende Wasserstoffstrahl war beim Schneiden von 2,54 cm dickem Aluminium bei 63,5 cm/min wirksam, um einen glattwandigen Schnitt hoher Qualität zu erzeugen.
Der gleiche Brenner, wie er zuvor beschrieben wurde, ausser dass der Wolframdüseneiusatz 6, 4 mm lang war und eine Öffnung von 1, 6 mm Durchmesser besass, wurde mit einem Wasserstoff-Gasstrom von 2, 83 m3/h bei einem Raumdruck von 1, 62 kg/cm oberhalb atmosphärischem Druck, sowie bei 170 Amp Gleichstrom und 84 V verwendet und erzeugte eine Wasserstoffstrahlausströmung, die eine 2, 54 cm dicke rostsichere Stahlplatte mit 15,2 cm/min, schnitt. Der Schnitt war an den Kanten praktisch winklig und die Brennschnittspaltoberflächen waren bemerkenswert glatt.
Die nachstehende Tabelle zeigt die typischen Geschwindigkeiten und Bedingungen beim maschinellen Schneiden, die bei Anwendung des Verfahrens für Aluminiumplatten verschiedener Stärke bei einer Leistungszufuhr mit einer Leerlaufspannung von 100 V erzielt wurden.
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<tb>
<tb>
Dicke <SEP> in <SEP> mm <SEP> Geschwindigkeit <SEP> Ampere <SEP> Volt <SEP> Gasströmung <SEP> *)
<tb> cm/min <SEP> m3fh <SEP>
<tb> 6, <SEP> 4 <SEP> 762 <SEP> 320 <SEP> 70 <SEP> 1, <SEP> 41 <SEP>
<tb> 12, <SEP> 7 <SEP> 318 <SEP> 320 <SEP> 75 <SEP> 1, <SEP> 70 <SEP>
<tb> 19,0 <SEP> 190 <SEP> 320 <SEP> 77 <SEP> 1, <SEP> 98 <SEP>
<tb> 25. <SEP> 4 <SEP> 127 <SEP> 320 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 98 <SEP>
<tb>
*) In allen Fällen war das verwendete Gas ein Gemisch von Argon und Wasserstoff im Verhältnis von 65% Argon zu 35% Wasserstoff.
Die Geschwindigkeit und Qualität von Handschnitten schwankt entsprechend der Geschicklichkeit des Schweissers um eine Durchschnittsgeschwindigkeit von ungefähr 152 cm/min bei l, 27 mm dicken Alumi- niumplatten. Beim Handschneiden betrug das Gasverhältnis 20% Wasserstoff zu 80% Argon.
Die veranschaulichteLichtbogenbrenner-Schneidvorrichtung wurde auch bei den folgenden Versuchen verwendet. Im Unterschied zum Schneiden wurde der Brenner lediglich von einem rechten Winkel zu einem mit Bezug auf die Werkstücksoberfläche nach vorn gerichteten Winkel von 450 geneigt. Diese Vorrichtung wurde zum Kehlen, Schärfen, Abgraten, Schälen und Metallkonditionieren verwendet. Die Tiefe der Schälung oder Kehlung wird in erster Linie durch die Geschwindigkeit, den Brenmerwinkel, die Stromstärke und die Gasströmungsgeschwindigkeit geregelt. Eine Zunahme der Geschwindigkeit während die andern Variablen konstant bleiben, ergibt eine Abnahme der Tiefe der Kehlung.
Eine Zunahme der Stromstärke führt entsprechend zu einer Zunahme der Kehlungstiefe. Der Brennerwinkel und die Gasströmungsgeschwindigkeit regeln die Qualität sowie die Tiefe der Kehlung. Die Breite der Kehlung oder Nut wird in erster Linie durch die Gestalt der Öffnung bestimmt. Bei dieser Arbeit wurden nur runde Öffnungen verwendet. Es wird jedoch erwartet, dass auch elliptische oder schlitzartige Öffnungen geeignet sind.
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In diesem Verfahren können verschiedene Gase in Verbindung mit Wasserstoff verwendet werden, vorzugsweise Ar, He, N, 0 und verschiedene Kombinationen derselben. Nuten optimaler Qualität wurden mit einem Gemisch aus 35% Wasserstoff und 655o Argon erzielt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases wurde konstant auf 1, 98 ms/h bei einem Druck von 1, 41 kg/cm2 über atmosphärischem Druck gehalten.
Höhere Geschwindigkeiten und tiefere Kehlungen lassen sich höchstwahrscheinlich durch Anwendung höheren Druckes und höherer Strömungsgeschwindigkeiten erzielen. Die Verwendung des Gases erzeugt eine Strahlstrom- oder Waschwirkung zur Entfernung der Schlacke von dem mit Nuten versehenen Teil.
Das Verfahren kann sowohl von Hand als auch maschinell ausgeführt werden, wobei gleiche Qualitäten erzielt werden. Ausserdem arbeitet das Verfahren in zufriedenstellender Weise sowohl bei kalten als auch bei heissen Werkstoffen, wobei seine Anwendung auf heisse Werkstoffe höhere Arbeitsgeschwindigkei- ten ergibt. Da dieses Verfahren ein Schmelzvorgang ist, kann jedes Metall gekehlt oder geschält werden.
Die Arbeitsgeschwindigkeit hängt vom Schmelzpunkt und der thermischen Leitfähigkeit des zu konditionierenden Metalles ab.
Einfache oder Vielfach-Kehlungen können mit gleicher Leichtigkeit hergestellt werden. Wenn weitere Kehlungen oder Schalungen erforderlich sind, kann ein Verfahren mit einem Mehrfach-Brenner angewendet werden.
Zur Erleichterung der Entfernung des Metalles aus den Kehlungen wurden Hilfsgasstrahlen verwendet.
Diese Gase können z. B. entweder Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Argon oder Helium sein in Abhängigkeit von der gewünschten Qualität.
Verschiedene Beispiele von Kehlungen, die gemäss der Erfindung erzielt werden können, sind in der nachstehenden Tabelle veranschaulicht, wobei die Gasströmung 1, 98 ms/h betrug und der Brenner in einem Winkel von 50 zur Horizontalen geneigt war.
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<tb>
<tb>
Kehlung <SEP> Stromstärke <SEP> Spannung <SEP> Geschwindigkeit
<tb> Nr. <SEP> Amp <SEP> V <SEP> emtmin
<tb> 1 <SEP> 150 <SEP> 63 <SEP> 267
<tb> 2 <SEP> 150 <SEP> 63 <SEP> 330
<tb> 3 <SEP> 145 <SEP> 63 <SEP> 368
<tb> 4 <SEP> 140 <SEP> 63 <SEP> 457
<tb> 5 <SEP> 140 <SEP> ss3 <SEP> 508
<tb> 6 <SEP> 140 <SEP> 60 <SEP> 572
<tb> 7 <SEP> 130 <SEP> 60 <SEP> 737
<tb> 8 <SEP> 80 <SEP> 60 <SEP> 737
<tb> 9 <SEP> 120 <SEP> 70 <SEP> 216
<tb>
Das Bohren von Löchern ist eine weitere Abwandlung des Schneidverfahrens. Es erfordert eher die Verwendung eines ortsfesten Brenners als eines beweglichen Brenners. Die Form der Löcher wird in erster Linie durch die Gestalt der Öffnung bestimmt.
Die Bedingungen zumLochböhren sind denen für das Schneiden gleich mit Ausnahme der Verwendung eines ortsfesten Brenners. Jede Plattendicke, die geschnitten werden kann, kann auch durchbohrt werden.
Es ist daher einleuchtend, dass die Stromstärke, die Gasströmungsgeschwindigkeit und der Öffnungsdurch- messer so gewählt werden müssen, dass eine vollständige Durchbohrung der Platte erreicht wird. Der Durchmesser des gebohrten Loches wird in erster Linie durch die Grösse und Gestalt der Öffnung sowie durch das Ausmass des Übergreifens des Stromes bestimmt.
Bei diesem Verfahren lassen sich z. B. die folgenden Gase zusätzlich zu Wasserstoff verwenden : Argon, Helium, Stickstoff und jede Kombination derselben, jedoch liefern Argon-Wasserstoff-Gemische die beste Arbeit. Da dieses Verfahren ein Schmelzverfahren ist, kann jedes Metall durchbohrt und auch geschnitten werden.
Verschiedene Beispiele von gebohrten Löchern wurden unter den in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Bedingungen bei Verwendung eines Gasstromes von 1, 98 m/h hergestellt.
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<tb>
<tb> Aluminiumplatte <SEP> Stromstärke <SEP> Spannung <SEP> Oberer <SEP> Lochdurch-Unterer <SEP> Lochdurch- <SEP>
<tb> Dicke <SEP> in <SEP> mm <SEP> Atnp <SEP> V <SEP> messer <SEP> nun <SEP> messer <SEP> mm <SEP>
<tb> 25 <SEP> 240 <SEP> 16 <SEP> 4, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 19 <SEP> 260 <SEP> 70 <SEP> 9, <SEP> 5 <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 19 <SEP> 220 <SEP> 70 <SEP> 9, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 19 <SEP> 200 <SEP> 70 <SEP> 9, <SEP> 5 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 19 <SEP> 340 <SEP> 70 <SEP> 12 <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP>
<tb> is <SEP> 180 <SEP> 9, <SEP> 5 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 13 <SEP> IM <SEP> 9, <SEP> S <SEP> 3,2
<tb> 13 <SEP> 120 <SEP> 9,
<SEP> 5
<tb> 6, <SEP> 4 <SEP> 100 <SEP> 8, <SEP> 0 <SEP> 4, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 6, <SEP> 4 <SEP> 80 <SEP> 8, <SEP> 0 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP>
<tb>
PATENT ANSPRÜCHE ;
1. Verfahren zum Bearbeiten, Schmelzen oder Erhitzen von Körpern aus festem Material mittels Lichtbogen, bei welchem der Bogen zwischen einer sich nicht verbrauchenden axial in einer Düse angeordneten Stabelektrode und einer Gegenelektrode errichtet und zusammen mit einem Gasstrom in einen Durchlass eingeführt und die sich daraus entladende heisse Ausströmung gegen den zu bearbeitenden, zu erhitzenden oder zu schmelzenden Körper gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Lichtbogen verengender Durchlass verwendet wird, dessen feste Wände einen lichten Querschnitt aufweisen, welcher enger ist als der Querschnitt eines äquivalenten, nicht begrenzten Lichtbogens,
gemessen im selben Abstand vom Ende der Stabelektrode, wobei der Lichtbogen und der Gasstrom, welche in den Durchlass eintreten, darin zu einem einheitlichen Plasma vereinigt werden, das nach der Entladung eine Ausströmung von verstärkter Hitze, Richtungsstabilität und Bündelung ergibt.