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Schutzgas-Lichtbogenbrenner
Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenbrenner, insbesondere einen Brenner zur Erzeugung eines wandstabilisierten oder verengten Lichtbogens, von dem ein Teil eng von einem massiven Düsenkörper umgeben ist. Damit die Düse derartiger Brenner eine lange Gebrauchsdauer hat, muss die Stabelektrode gut mit der Düse fluchten und muss die Düse genügend gekühlt werden, damit sie bei den Lichtbogentemperaturen nicht beschädigt wird. Diese Forderungen sind besonders beim Betrieb mit Lichtbogen erforderlich, die nicht auf das Werkstück übergehen, sondern zwischen einer Stabelektrode und einer Düsenelektrode aufrechterhalten werden.
Manche bekannten Lichtbogenbrennerhabensich auch deswegen nicht bewährt, weil der Lichtbogen infolge von unsymmetrischen Stromwegen magnetisch abgelenkt wurde, was zu einer exzentrischen Abnutzung der Düse führte.
Die Erfindung bezweckt daher vor allem die Schaffung eines Lichtbogenbrenners, dem die Stabelektrode und der Düsenkanal gut fluchten. Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Lichtbogenbrenners, in dem die Düse genügend gekühlt ist, indem keine durch magnetische Ablenkung des Lichtbogens verursachte exzentrische Abnutzung der Düse auftritt, der für Wartungs- und Instandhaltungszwecke leicht auseinandergenommen werden kann und auch für den Betrieb mit nicht wandstabilisiertem Lichtbogen ge- eignet ist.
Die Erfindung schafft einen Schutzgas-Lichtbogenbrenner mit einem Brennerkörper, einem in dem Brennerkörper koaxial angeordneten Elektrodenträger, Mitteln zur Zuführung von elektrischem Strom zu einer in dem Träger befindlichen Elektrode, einem den Brennerkörper koaxial umgebenden Brennergehäuse, einer die Elektrode umgebenden Gasführungsdüse und Mitteln zum Kühlen der Düse, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Brennerkörper und dem Elektrodenträger ein erster ringförmiger Kühlkanal und zwischen dem Gehäuse und dem Brennerkörper ein zweiter ringförmiger Kühlkanal vorhanden ist, wobei der erste Kanal mit dem zweiten in Verbindung steht, und dass zwischen Düse und Elektrodentrager ein mit diesen in gegenseitigem Eingriff stehender koaxialer Isolierkörper vorgesehen ist.
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bogenschweissen mit langsam strömendem Gas.
Fig. 3 zeigt wieder im Querschnitt einen Teil einer weiteren abgeänderten Ausführungsform zur Verwendung für den Gleichstrombetrieb mit umgekehrter Polarität.
Der Körper des in Fig. 1 gezeigten Brenners ist mit einem koaxial darin angeordneten Elektrodenträger versehen, der eine Metallhülse 10 aufweist, deren Bohrung einen Elektrodenhalter 12 für eine Stabelektrode 14 aufnimmt, die vorzugsweise aus Wolfram besteht. Der obere Teil der Hülse bildet den Brennerkopf, der von einem Brennerkörper oder Mantel 16 aus aufgepresstem elektrisch isolierendem Material, beispielsweise einem Kunstharz, vorzugsweise Nylon umgeben ist. Der untere Teil der Hülse 10 ist mit einer Ringnut versehen und hat einen kleineren Durchmesser, so dass er mit dem Mantel oder Brennerkörper 16 einen inneren ringförmigen Kühlkanal 15 bildet.
Unter dem unteren Teil der Hülse 10 ist koaxial mit dieser eine Gasführungsdüse 18 vorgesehen, die einen zentralen Düsenkanal 19 hat und von der Hülse 10 durch eine Muffe 20 aus Kunststoff, vorzugsweise
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Teflon isoliert ist. Der obere Rand der Muffe 20 ist mit einer Ringnut versehen und hat oben einen Um- fangsflansch 21, der das untere Ende der Hülse 10 aufnimmt, die einen Ringgrat hat, der sich satt an den
Flansch anlegt. Am unteren Ende der Muffe 20 ist ein Ringgrat 23 vorgesehen, der satt passend in eine
Ringnut am oberen Ende der Düse 18 eingreift. Durch diese gegenseitigen Eingriffe zwischen Hülse, Muffe i und Düse wird deren koaxiale Anordnung aufrechterhalten.
Durch den gegenseitigen Eingriff zwischeI'der Hülse 10, der Isoliermuffe 20 und der Düse 18 wird die
Elektrode 14zwangsläufig gegenüber dem zentralen Kanal 19 der Düse 18 zentriert. Vorzugsweise werden für den gegenseitigen Eingriff V-Nuten und entsprechende Vorsprünge verwendet. Dadurch wird der Abstand der aus dem Elektrodenhalter und dem Elektrodenführungsrohr bestehenden Anordnung von dem Dilsenka- nal so klein wie möglich gehalten und es kann eine auf 0, 25 mm genaue Zentrierung enielt werden. ohne dass die Teile auf kleine Toleranzen bearbeitet werden müssen, was mit hohen Kosten und Unannehmlich- keiten verbunden wäre.
Der untere Teil des isolierenden Mantels oder Brennerkörpers hat einen kleineren Aussendurchmesser, der mit einem Absatz in den oberen Teil übergeht. Dieser untere Teil bildet einen abwärtsgerichteten zylindrischen Fortsatz 24, der sich über das untere Ende der Hülse 10, die Muffe 20 und den oberen Teil der Düse 18 erstreckt, aber im Abstand davon angeordnet ist, so dass der innere ringförmige Kühlkanal 15 entsteht. An demAbsatz des Mantels oder Brennerkörpers 16 ist ein Gehäuse 25 befestigt. Eine am unteren
Rand des Gehäuses 25 angeschraubte Kappe 26 liegt dichtend an der Unterseite der Düse 18 an und bildet mit dem Gehäuse 25 einen äusseren Kühlkanal 27. Die Kappe 26 stellt ferner eine elektrische Verbindung zwischen dem Gehäuse 25 und der Düse 18 her.
Das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, tritt in den Brenner durch die Leitung 38, die mit dem Ring- raum 27 in Verbindung steht. Das Kühlmittel strömt dann mit hoher Geschwindigkeit durch den Ringraum
15 aufwärts und tritt durch die Leitung 30 aus. Es hat sich gezeigt, dass eine genügende Kühlung der Düse von einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und einem starken Kühlabfallan der Düse ab- hängig ist. Dies wird zweckmässig dadurch erzielt, dass der Düsenteil des Ringkanals 15 eine Breite von 0, 4 mm hat. Bei einer Kühlwasserströmungvon etwa 3 g/min erzielt man damit längs der Düsenwand eine genügende Geschwindigkeit von etwa 732 cmisec.
Zur Erzielung der höchsten Leistungswerte in einer Düse dieser Art ohne Ausfall der Düse muss beim
Betrieb mit einem Lichtbogen, der nicht auf das Werkstück übergeht, sondern zwischen der inneren Stab- elektrode und der Düsenelektrode aufrechterhalten wird, von der Düse kontinuierlich eine Wärmemenge entfernt werden, die etwa 1, 9 kW/c der Düsenfläche äquivalent ist. Dies kann bpi Anwendung einer starken Strömung des Kühlmittels durch Verwendung von ziemlich starken Düsenwänden erzielt werden.
Man erhält dadurch eine grössere Aussenfläche bei nur geringer Erhöhung des Temperaturgefälles durch die
Wände.
Für eine optimale Auslegung der Düse muss daher sowohl die Gesamtwärmeübertragung als auch das Temperaturgefälle berücksichtigtwerden. BeiKupferdüsen genügt einAussendurchmesser von etwa 16,7 mm zur Entfernung von etwa 8 kW Gesamtwärme von einem Düsenkanal mit einem Innendurchmesser von 1, 6 mm.
Diese Kühlkanalanordnung kühlt ferner zweckmässig das Brennergehäuse 25 und die Kappe 26. Während einiger Schweissversuche wurde die Kappe durch schmelzflüssiges Metall gezogen und bis auf eine geringe Ver- färbung nur leicht beschädigt.
Daraus ist die Verbesserung der Kühlung des Brennerkörpers ersichtlich, welche durch die Erfindung erzielt wird, gemäss der die koaxiale Anordnung der Kühlkanäle eine Kühlung im wesentlichen des ganzen Brennergehäuse und der Düsenkappe und eine Kühlung der Brennerdüse und des Elektrodenhalters gewährleistet.
Das Gerät wird zweckmässig über die Leitungen 30 und 28 mit elektrischem Strom gespeist. Die Lei- tung 28 ist an das Brennergehäuse 25 angeschlossen, das seinerseits über die Kappe 26 mit'der Düse 18 in
Verbindung steht. Die Leitung 30 ist an die Elektrodenhülse 10 angeschlossen, die ihrerseits über den Elek- trodenhalter 12 mit der Elektrode 14 elektrisch verbunden ist. Infolge der konzentrischen Anordnung der einzelnen Elektrodenanschlüsse in dem Brenner selbst treten keine unsymmetrischen Magnetfelder auf, die den von der Elektrode 14 ausgehenden Lichtbogen ablenken und dadurch einen exzentrischen Ver- schleiss des Düsenkanals 19 bewirken könnten.
Brennergas zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens und zum Schutz des Werkstücks tritt über die Lei- tung 32 in das Gerät ein, strömt durch Kanäle in den oder um den Elektrodenträger, und tritt dann durch den Düsenkanal 19 aus. Dieses Gas kann jedes einen Lichtbogen unterstützende Gas sein, besteht aber zur Erzielung einer Lichtbogenflamme von höchster Wärmeintensität vorzugsweise aus Wasserstoff.
Wenn die Düse 18 eine Primärelektrode für den Betrieb mit nicht auf das Werkstück übergehendem Lichtbogen oder eine Sekundär-oder Zündelektrode für den Betrieb mit auf das Werkstück übergehendem
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Lichtbogen bildet, kann der Lichtbogen zwischen der Elektrode 14 und der Düse dadurch gezündet werden, dass die Elektrode 14 in bezug auf die Düse 18 in eine Zündstellung gebracht und dann, nach der Zündung des Lichtbogens, auf die gewünschte Lichtbogenlänge zurückgezogen wird. Diese Vorgänge können mit der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform leicht durchgeführt werden.
An dem Elektrodenhalter 12 ist eine im Querschnitt vorzugsweise quadratische Elektrodenschubstange 34 befestigt, die sich durch die
Mitte des Elektrodenanschlags 36 erstreckt, der in die Elektrodenhülse 10 eingeschraubt ist. An dem oberen
Ende der Schubstange 34 ist mittels eines Stifts 40 ein isolierter Druckknopf 38 befestigt. Die Schubstange
34 ist von einer Rückholfeder 35 umgeben, die zwischen dem Elektrodenanschlag 36 und dem Einschalt-
Druckknopf 38 angeordnet ist. Beim Niederdrücken des Knopfes 38 wird die Stange 34 und damit der Elek- trodenhalter 12 abwärtsbewegt, so dass die Elektrode in bezug auf die Düse 18 in eine Zündlage kommt.
Beim Loslassen des Druckknopfes 38 wird die Elektrode zurückgezogen. Die endgültige Stellung der Elek- trode 14 wird daher durch die Stellung des Elektrodenanschlags 36 bestimmt, dessen Stellung durch Dre- hen des Knopfes 38 und der Stange 34 verändert wird, die ihrerseits den Anschlag 36 verdreht und dabei hebt oder senkt.
Die Zuführungsleitungen 32,30 und 28 für das Gas, den elektrischen Strom und das Kühlmittel fahren zweckmässig parallel zueinander zu dem Gerät und sind in dem Isoliergriff 42 angeordnet. Mit Hilfe von
Spannmuttern 44,46 und 48 werden lecksichere Anschlüsse hergestellt.
Zur Wartung und Instandsetzung kann das Gerät ohne weiteres auseinandergenommen werden, indem man die Spannmutter 48 löst und darauf den Griff 42 abzieht, worauf die Spannmutter 46 gelöst wird, so dass die Leitung 30 entfernt werden kann. Als nächstes wird die Kappe 26 abgeschraubt um die Hülse 10 freizubekommen und das Herausziehen des restlichen Gerätes zu ermöglichen. Dieser Rest des Gerätes kann dann aus dem Brennerkörper 16 und dem Brennergehäuse 25 herausgezogen werden.
Die Sicherheit der Bedienungsperson ist dadurch gewährleistet, dass die Hochspannung für die Elek- trode 14 mittels des Handgriffs 42, des isolierten Brennkörpers 16 und des Einschalt-Druckknopfe : ! 38 gegen eine BerUhrung von aussen abgeschirmt ist. Die Düsenelektrode und das Gehäuse können beim Betrieb mit nicht auf das Werkstück übergehendem Lichtbogen am Erdpotential liegen und brauchen normalerweise nicht besonders abgeschirmt zu werden.
Dieser Brenner eignet sich insbesondere zum Betrieb mit nicht auf das Werkstück übergehendem Lichtbogen unter Verwendung von Wasserstoffgas. Man erhält einen Strahl aus atomarem Wasserstoff, der zum Schweissen, Schneiden und andern thermischen Materialbearbeitungsprozessen verwendet werden kann. Der vorliegende Brenner kann auch ohne weiteres zur Erzeugung eines langsamer strömenden "laminaren" Strahls verwendet werden. Dieser ruhige, relativ schwach leuchtende Strahl erstreckt sich etwa 15 - 30 cm von dem Brenner weg und enthält einen Kern aus atomarem Wasserstoff, der sich äusserst gut zur Wärmeübertragung eignet und zum Schmelzen von Zirkonoxyd mit einem Schmelzpunkt von 30000 K geeignet ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Gasströmung durch den Brenner die Kühlung der Düse unterstützt und dass eine genügende Gasströmung absolut notwendig ist, um ein Ausbrennen der Düse während des Betriebes zu verhindern. Es versteht sich, dass bei verschieden grossen Düsenkanälen verschiedene Gasströmungsmengen erforderlich sind, um eine laminare bzw. turbulente Gasströmung zu erzielen. Beispielsweise erhält man bei einem Kanal von 2, 4 mm einen laminaren Wasserstoffstrahl bei einer Strömungsmenge von 140 bis etwa 850 l/Stunde.
Für den Betrieb mit nicht auf das Werkstück übergehendem Lichtbogen stellt das erfindungsgemässe Gerät ein brauchbares Werkzeug für die metallverarbeitende Industrie dar. Beim Schneiden von Werkstoffen hat es den Vorteil, dass es unabhängig von der Dicke des Metalls mit einer feststehenden Spannung arbeitet, weil die Düse die feststehende Anode ist. Das Gerät ist für Handbetätigung sehr geeignet, weil kein fester Abstand zwischen Brenner und Werkstück aufrechterhalten zu werden braucht. Da der Lichtbogen ganz in dem Gerät selbst angeordnet ist, braucht die Bedienungsperson nicht so dunkle Schutzbrillen zu tragen wie es bei den bisherigen Geräten notwendig ist, in denen die Lichtbögen nach aussen treten. Das vorliegende Gerät ist ferner sehr vielseitig verwendbar.
Fig. 2zeigt eine abgeänderte Form des Gerätes, die zum Schweissen mit auf das Werkstück übergehendem Lichtbogen und langsam strömenden Gas verwendet werden kann. Dabei ist die enge Düse der Fig. 1 durch eine Düse mit grösserem Durchmesser ersetzt worden.
Diese Ausführungsform kann auch zum Heliarc-Schweissen verwendet werden. Die Düse 18 kann je nach Wunsch eine Sekundärelektrode sein oder sicn ausserhalb des Stromkreises befinden.
Mit dem vorliegenden Gerät kann man auch Schweissungen mit umgekehrter Polarität durchführen.
Fig. 3 zeigt eine zum Betrieb mit umgekehrter Polarität geeignete Ausführungsform des Gerätes. Die abgeänderte Düse 18 enthält einen zentralen Elektrodeneinsatz 50 aus einem schwer schmelzbaren Metall, beispielsweise Wolfram oder Molybdän, der von mehreren Düsenkanälen 19 umgeben ist. Die von den Dü-
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senkanälen erzeugten Gasstrahlen trachten, den Lichtbogen an dem Elektrodeneinsatz zu stabilisieren. Die ausgezeichnete Wasserkühlung der Düse gestattet es, den aus schwer schmelzbarem Metall bestehenden
Elektrodeneinsatz ohne weiteres bei Stromstärken bis zu mindestens 200 A als Anode zu verwenden. Es versteht sich, dass eine Düse 18, die der in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist, auch ohne Wolframeinsatz zum i Betrieb mit umgekehrter Polarität verwendet werden kann, wobei das Werkstück als Kathode geschaltet wird.
Zusammenfassend gesagt hat das erfindungsgemässe Gerät folgende Vorteile : Infolge des Übereinan- derstapelns von Kathode und Anode wird die Kathode automatisch in bezug auf den Düsenkanal zentriert.
Die Düsenanode wird durch einen schnell strömenden Ringstrom gekühlt. Es wird ein Kathodenträger ge- schaffen, der mehr als 8 kW von der Düse abführen kann. Konzentrische Kühlmittelkanäle ergeben grosse
Strömungsmengen bei kleinem Brennerdurchmesser und vereinfachter Herstellung. Der Aussenkörper ist gut gekühlt. Der konzentrische Stromweg trägt zur Vermeidung von exzentrischem Diisenverschleiss bei. Das
Anstellen erfolgt durch Druckknopfbetätigung, so dass zum Anstellen keine Hochfrequenz erforderlich ist und der Elektrodenabstand während des Betriebes genau geregelt werden kann. Es können auswechselbare
Düsen zum Schneiden, Schweissen und zum Betrieb mit umgekehrter Polarität verwendet werden.
Daraus ist ersichtlich, dass das erfindungsgemässe Gerät für die verschiedensten Zwecke verwendbar ist. Der Brenner mit einem Sortiment von verschiedenen Düsenformen und-grossen stellt ein Mehrzweck- gerät für kleine Werkstätten dar, weil er zum Schweissen, Schneiden, Wärmebehandeln und Hartmetall- auftragen mit auf das Werkstück übergehendem oder nicht übergehendem Lichtbogen verwendet und mit
Gleichstrom normaler und umgekehrter Polarität gespeist werden kann.
Die nachstehenden Ausführungsbeispiele zeigen typische Anwendungsfälle deserfindungsgemässen Ge- rätes.
Beispiel l : Schneiden mit dem Lichtbogenbrenner.
Es wurde ein Gerät der in Fig. 1 gezeigten Art verwendet. Zwischen einer Stabelektrode von 3, 2 mm
Durchmesser aus thoriertem Wolfram und einer Düsenelektrode mit einem 14, 3 mm langen Düsenkanal von 1, 6 mm Durchmesser wurde ein normal gepolter Gleichstrom-Lichtbogen von 109 V und 180 A auf- rechterhalten. Wasserstoffgas mit 3,7 m3/Stunde umströmte die Stabelektrode und trat durch den Düsen- kanal aus. Der so erhaltene Strahl aus schnell strömendem atomarem Wasserstoff wurde dazu verwendet,
27 mm starken rostfreien Stahl mit einer Geschwindigkeit von 20 cm Imin zu schneiden.
Beispiel 2 : Schmelzen mit dem Lichtbogenbrenner.
Es wurde ein Gerät der in Beispiel 1 beschriebenen Art verwendet, wobei mit einem nicht auf das
Werkstück übergehenden normal gepolten Gleichstrom-Lichtbogen von 70 V und 80 A und einem Wasser- stoffstrom von 48 1/Stunde durch den einen Durchmesser von 2, 8 mm aufweisenden Düsenkanal gearbeitet wurde. Der dadurch erhaltene laminare Strahl aus langsam strömendem atomarem Wasserstoff wurde zum
Handschweissen von 3,2 mm starkem rostfreiem Stahl mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/min nach Art des Autogenschweissbrenners verwendet. Es wurde keine Porosität beobachtet.
Beispiel 3 : Schweissen. von Aluminium mit umgekehrter Polarität.
Es wurde ein Gerät der in Fig. 3 gezeigten Art verwendet. Zwischeneiner Wolframanode von 6, 4 mm
Durchmesser, die in eine wassergekühlte Brennerdüse eingesetzt war, und einem aus einem 3, 2 mm dicken
Aluminiumwerkstück als Kathode wurde ein Lichtbogen von 150 A aufrechterhalten. Die Wolframanode war von mehreren kleinen Argongasstrahlen in einer Gesamtmenge von etwa 28 l/Stunde umgeben, die den Lichtbogen an der Anode stabilisierten. Zusätzliches Argon wurde als Schutzgas in einer Menge von
57 l/Stunde um den Brenner herum zugeführt. Auf diese Weise wurde auf dem Aluminiumwerkstück eine vollkommen einwandfreie, saubere Schweissraupe erhalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schutzgas-Lichtbogenbrenner mit einem Brennerkörper, einem in dem Brennerkörper koaxial angeordneten Elektrodenträger, Mitteln zur Zuführung von elektrischem Strom zu einer in dem Träger be- findlichen Elektrode, einem den Br.
ennerkörper koaxial umgebenden Brennergehäuse, einer die Elektrode umgebenden Gasführungsdüse und Mitteln zum Kühlen der Düse, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Brennerkörper (16) und dem Elektrodenträger ein erster ringförmiger Kühlkanal (15) und zwischen dem Gehäuse (25) und dem Brennerkörper (16) ein zweiter ringförmiger Kühlkanal (27) vorhanden ist, wobei der erste Kanal mit dem zweiten in Verbindung steht, und dass zwischen Düse und Elektrodenträger ein mit diesen in gegenseitigem Eingriff stehender koaxialer Isolierkörper (20) vorgesehen ist.