AT506485B1 - Schutzgasschweissbrenner - Google Patents

Abstract

Schutzgasschweißbrenner mit einem Kontaktrohr (1), durch das ein Schweißdraht (29) zu einer Schweißstelle geführt ist, und einer das Kontaktrohr (1) umschließenden Schutzgasdüse (5), die mit dem Kontaktrohr (1) einen düsenmundseitigen offenen Strömungsringspalt (3) begrenzt, der auf der den Strömungsringspalt (3) begrenzenden Ringinnenseite (9, 11) durch eine Zylinderfläche (11) und eine daran anschließende bis zum Düsenmund (7) kontinuierlich verjüngte Konusfläche (9) begrenzt ist, der ausgehend von zumindest einer als Radialöffnung auf der Zylinderfläche (11) in den Strömungsringspalt (3) mündenden Verteileröffnung (33) von Schutzgas durchströmt ist und zwischen dem Kontaktrohr (1) und dem Düsenstock (15) und der Schutzgasdüse (5) ein ringförmiges Spritzschutzelement (35) geschaltet ist, wobei die den Strömungsringspalt (3) innenseitig begrenzende Zylinderfläche (11) mit der darin ausgebildeten mindestens einen Verteileröffnung (33) im Kontaktrohr (1) ausgebildet ist.

Description

österreichisches Patentamt AT506 485B1 2012-10-15

Beschreibung

SCHUTZGASSCHWEISSBRENNER

[0001] Die Erfindung betrifft einen Schutzgasschweißbrenner mit einem Kontaktrohr, durch das ein Schweißdraht zu einer Schweißstelle geführt ist, und einer das Kontaktrohr umschließenden Schutzgasdüse, die mit dem Kontaktrohr einen düsenmundseitigen offenen Strömungsringspalt begrenzt, der auf der den Strömungsringspalt begrenzenden Ringinnenseite durch eine Zylinderfläche und eine daran anschließende bis zum Düsenmund kontinuierlich verjüngte Konusfläche begrenzt ist, der ausgehend von zumindest einer als Radialöffnung auf der Zylinderfläche in den Strömungsringspalt mündenden Verteileröffnung von Schutzgas durchströmt ist und zwischen dem Kontaktrohr und dem Düsenstock und der Schutzgasdüse ein ringförmiges Spritzschutzelement geschaltet ist.

[0002] Derartige Schutzgasschweißbrenner werden in Verbindung mit Schweißautomaten oder auch für einen Handbetrieb als sogenannte Schweißpistolen eingesetzt und sind aus der DE 103 41 492 B4 bekannt geworden, bei welcher die den Ringspalt begrenzende Zylinderfläche nicht im Kontaktrohr sondern im Düsenstock ausgebildet ist.

[0003] Bei einem ähnlichen Schutzgasschweißbrenner, der aus der US 2002/0017504 A1 bekannt geworden ist, ist die Zylinderfläche des Kontaktrohrs geschlossen gestaltet und gemäß der DE 103 41 492 B4 ist die Verteileröffnung nicht im Kontaktrohr sondern im Düsenstock ausgebildet. Als weiter ab liegende Dokumente seien noch die EP 0 974 416 A1 sowie die WO 2007/018265 A1 genannt.

[0004] Ein aus der US 4 918 280 A bekannt gewordener Schweißbrenner ist als WIG-Schweiß-brenner ausgebildet, der eine im Prinzip nicht abschmelzende Wolframelektrode, jedoch keinen Spritzschutz innerhalb des Schweißkopfes aufweist.

[0005] Weiters ist aus der DE 298 80 112 U1 ein Schutzgasschweißbrenner bekannt geworden, der eine Drahtführungs-Stromdüse aufweist, die von einer Schutzgasdüse umschlossen ist. Die Drahtführungs-Stromdüse wird allgemein auch als Kontaktrohr bezeichnet, durch das ein Schweißdraht nachgeführt wird. Das Kontaktrohr begrenzt zusammen mit der äußeren Schutzgasdüse einen düsenmundseitig offenen Strömungsringspalt. Dieser wird ausgehend von zumindest einer Verteileröffnung von Schutzgas durchströmt, das den Schweißbrenner am Düsenmund verlässt.

[0006] Während des Schweißvorganges wird ein Lichtbogen zwischen dem vorderen Drahtende des Schweißdrahtes und dem Werkstück erzeugt. Dabei wird zur Erzeugung einer Schweißraupe der Schweißdraht durch das Kontaktrohr nachgeführt und abgeschmolzen. Das während des Schweißvorganges aus der Schutzgasdüse strömende Schutzgas schützt das Schmelzbad vor Oxidation, welche die Schweißraupe schwächen würde. Die Düsengeometrie ist dabei so ausgelegt, dass eine vollständige Schutzgasabdeckung des Schmelzbades gewährleistet ist. Beispielsweise ist der Durchmesser an der Gasaustrittsöffnung der Schutzgasdüse relativ groß gestaltet, wodurch zwar eine oxidationsfreie Schweißraupe erzeugt werden kann, jedoch bei einer Steigerung der Schweißgeschwindigkeit nicht die Qualität und ein optisch günstiges Erscheinungsbild der Schweißraupe gewährleistet ist.

[0007] Bei dem Schutzgasschweißbrenner nach der DE 103 41 492 B4 wird das Schutzgas zunächst durch eine zentrale Zuführungsbohrung gemäß der Fig. 1 bis zum unteren Ende des Düsenstockes geführt und dort über Querbohrungen in einen düsenmundseitig offenen Strömungsringspalt eingeleitet. Die Querbohrungen sind gemäß der Fig. 1 am unteren Ende. Das untere Ende des Düsenstockes ist wiederum mit einem Kontaktrohr (Stromdüse 12) verschraubt.

[0008] Die Innenkontur des Strömungsringspaltes bei dem Schutzgasschweißbrenner nach der US 2002/0017504 A1 ist teilweise vom Düsenstock sowie teilweise vom Kontaktrohr begrenzt. Eine Ringfuge zwischen dem Kontaktrohr und dem Düsenstock liegt daher in der den Strö- 1 /6 österreichisches Patentamt AT506 485 B1 2012-10-15 mungsringspalt begrenzenden Innenkontur.

[0009] Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den gattungsgemäßen Schutzgasschweißbrenner derart weiterzuentwickeln, dass unter optimaler Ausnutzung der ausströmenden Schutzgasmenge eine qualitativ hochwertige Schweißnaht mit optisch vorteilhaftem Aussehen erzeugt werden kann.

[0010] Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs genannten Schutzgasschweißbrenner, dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß die den Strömungsringspalt innenseitig begrenzende Zylinderfläche mit der darin ausgebildeten mindestens einen Verteileröffnung im Kontaktrohr ausgebildet ist.

[0011] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Geometrie des Strömungsringspaltes, insbesondere auch dessen Innenkontur, von entscheidender Bedeutung für die Lichtbogengeometrie ist. Von der Lichtbogengeometrie des Schweißbrenners hängt nämlich die auf die Werkstückoberfläche aufbringbare Strom- bzw. Leistungsdichte ab.

[0012] Vor diesem Hintergrund ist die erfindungsgemäße Gestaltung der Innenkontur des Strömungsringspaltes zu sehen, wonach die den Strömungsringspalt begrenzende Zylinderfläche unmittelbar im Kontaktrohr ausgebildet ist, und nicht wie in der DE 103 41 492 B4 im Düsenstock. Der Strömungsringspalt ist somit im Unterschied zur US 2002/0017504 A1 innenseitig ausschließlich durch das Kontaktrohr begrenzt. Eine Ringfuge, Rücksprünge oder Hinterschneidungen zwischen dem Düsenstock und dem Kontaktrohr können somit nicht zu Verwirbelungen in der Schutzgasströmung im Ringspalt führen, wie es in der US 2002/0017504 A1 der Fall ist, in der auf Grund von Fertigungstoleranzen Stufensprünge am Übergang zwischen Düsenstock und Kontaktrohr entstehen können. Im Gegensatz zur Erfindung zeigt die US 2002/0017504 A1 eine Strömungsführung, bei der das Schutzgas in Gasbrenner-Längsrichtung zu dessen Düsenkopf geführt wird, und zwar ohne Umlenkung über Querbohrungen.

[0013] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Spritzschutzelement in Schutzgasströmungsrichtung hinter der Verteileröffnung angeordnet ist. Diese Variante bietet den Vorteil, dass dadurch stufenförmige Absätze stromab der Verteileröffnung vermieden werden können. Bevorzugt kann das Spritzschutzelement als Strömungsleiter verwendet werden. Beispielhaft kann es auf der Höhe der Verteileröffnung bündig abschließen und eine Umlenkung der Schutzgasströmung in Richtung des Düsenmundes übernehmen.

[0014] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Spritzschutzelement strömungsleitend angefast ist, womit eine strömungsgünstige Umlenkung der Schutzgasströmung in Richtung auf den Düsenmund erfolgt.

[0015] Zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei welcher die Schutzgasdüse in Richtung auf den Düsenmund konisch verjüngt ist. Auf diese Weise wird bevorzugt bis zum Bereich des Gasaustrittes der Strömungsquerschnitt reduziert und zugleich die Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich gesteigert.

[0016] Die Schutzgasdüse kann erfindungsgemäß so stark verjüngt sein, dass der Durchmesser der Austrittsöffnung der Schutzgasdüse in einem Bereich von 3 mm bis 6 mm liegt, wodurch die oben erwähnten Effekte auf die Lichtbogengeometrie gesteigert werden.

[0017] Als strömungstechnisch vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Drahtaustrittsöffnung des Kontaktrohres sich innerhalb der Schutzgasdüse befindet und vollständig vom Schutzgas umspült ist. In diesem Fall überragt die Schutzgasdüse das Kontaktrohr, wodurch eine verwirbelungsfreie laminare Ausströmung des Schutzgases aus dem Schutzgasdüsenmund unterstützt wird.

[0018] Die oben beschriebene frontseitige Verlängerung der Schutzgasdüse über das Kontaktrohr hinaus schafft einen zusätzlichen Ringraum, der dem Strömungsringspalt nachgeschaltet ist. Während des Bearbeitungsvorgangs reicht der Lichtbogen bis in diesen Ringraum hinein, wodurch dieser radial nach außen teilweise von der Schutzgashülse umschlossen ist. Hierdurch 2/6 österreichisches Patentamt AT506 485 B1 2012-10-15 wird der Lichtbogen zusätzlich im Sinne der Erfindung stabilisiert. Im Zusammenspiel mit den erfindungsgemäß verbesserten Strömungsbedingungen kann somit die Prozessgeschwindigkeit weiter erhöht werden.

[0019] In einer günstigen Weiterbildung ist es hierbei vorgesehen, dass die Schutzgasdüse das Kontaktrohr in einem Bereich von 2 mm bis 10 mm überragt.

[0020] Die Kontur einer, den Strömungsringspalt begrenzenden Ringinnenseite ist stufenfrei bis zum Düsenmund kontinuierlich verjüngt. Der Strömungsringspalt reicht von einer Verteileröffnung zur Zuführung des Schutzgases bis zur Stirnseite des Kontaktrohrs.

[0021] Demgegenüber sind bei Standardbrennern am Übergang zwischen dem Düsenstock und dem Kontaktrohr oftmals Stufensprünge vorhanden. Das daran vorbeiströmende Schutzgas verwirbelt daher, so dass sich keine laminare Strömung des Schutzgases ausbilden kann.

[0022] Mit der erfindungsgemäßen Geometrie des Strömungsringspaltes wird die Schutzgasströmung derart beeinflusst, dass der Lichtbogen wesentlich stabiler wird und eine bessere Tropfenablösung erfolgt. Durch die Laminarströmung erhöht sich zudem die Strömungsgeschwindigkeit an der Gasaustrittsöffnung. Dies hat zur Folge, dass der Lichtbogen gebündelt bzw. kontrahiert wird.

[0023] Entsprechend kann mit höherer Strom- bzw. Leistungsdichte sowie mit höheren Prozessgeschwindigkeiten auf der Bauteiloberfläche gearbeitet werden.

[0024] Die Strömungsbedingungen innerhalb der Schutzgasdüse werden weiter gesteigert, wenn der Strömungsringspalt zwischen der Verteileröffnung und dem Düsenmund frei von anderen Bauteilen ist, etwa Verbindungselemente zur Verbindung des Kontaktrohres mit dem Düsenstock oder Schutzkappen.

[0025] Eine kontinuierliche, stufenfreie Innenseiten-Kontur kann besonders einfach erreicht werden, wenn das Kontaktrohr und der, das Kontaktrohr tragende Düsenstock materialeinheitlich und/oder einstückig ausgebildet sind. Auf diese Weise kann fertigungstechnisch einfach die aus Kontaktrohr und Düsenstock bestehende Baueinheit entsprechend bearbeitet werden, sodass eine gewünschte, lineare Kegelkonturlinie zwischen der Verteileröffnung und der Stirnseite des Kontaktrohres erzielt wird.

[0026] Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten einzigen Figur beschrieben.

[0027] In der Figur ist in einem Längshalbschnitt der Kopf eines Schutzgasschweißbrenners mit einer innenliegenden Drahtführungs-Stromdüse gezeigt, die nachfolgend als Kontaktrohr 1 bezeichnet wird. Der Schutzgasschweißbrenner ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, so dass die untere, nicht gezeigte Brennerhälfte im Wesentlichen baugleich mit der gezeigten oberen Brennerhälfte ist.

[0028] Das Kontaktrohr 1 ist über einen Strömungsringspalt 3 beabstandet von einer Schutzgasdüse 5 umschlossen. Der Strömungsringspalt 3 reicht von einer später beschriebenen Verteileröffnung 33 über eine Länge I bis zur Stirnseite des Kontaktrohrs 1. Außerdem läuft die Schutzgasdüse 5 in Richtung auf ihren stirnseitigen Düsenmund 7 kontinuierlich kegelförmig zu. Ebenso weist auch das Kontaktrohr 1 einen Kegelabschnitt mit einer Konusfläche 9 auf, mit der sich bis zum Düsenmund 7 kontinuierlich mit linearer Mantellinie verjüngt.

[0029] Das Kontaktrohr 1 ist gemäß der Fig. mit einer an die Konusfläche 9 stumpfwinklig anschließenden zylindrischen Verlängerung 11 in eine zentrale Ausnehmung 13 eines Düsenstockes 15 eingebaut, etwa verschraubt oder eingepresst. Alternativ kann das Kontaktrohr 1 auch als Baueinheit materialeinheitlich und einstückig mit dem Düsenstock 15 ausgeführt sein. Der Düsenstock 15 sitzt über eine äußere Ringschulter 17 in bekannter Weise auf einem nur angedeuteten Düsenstockträger 19, der ebenfalls von der Schutzgasdüse 5 umschlossen ist.

[0030] Der Düsenstock 15 weist einen zentralen Aufnahmekanal auf, in den ein, den Brennerkopf tragendes Außenrohr 21 bis zu einer inneren Ringschulter 23 des Düsenstockes 15 einge- 3/6

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT 506 485 B1 2012-10-15 schoben ist. Innerhalb des Rohres 21 verläuft in bekannterWeise ein nach innen und außen hin isolierter elektrischer Leiter 25, der mit seinem vorderen Ende in leitendem elektrischen Kontakt mit dem Düsenstock 15 ist. [0031] Durch den schlauchförmigen Leiter 25 den Aufnahmekanal des Düsenstocks 15 sowie durch einen Durchführungskanal 27 des Kontaktrohrs 1 wird ein, während des Schweißvorganges nachführbarer Schweißdraht 29 geführt. Der schlauchförmige elektrische Leiter 25 dient zugleich auch als Schutzgaszuführungskanal, durch den das Schutzgas in den Durchführungskanal 27 des Kontaktrohrs 1 und weiter über radialer Verteilerkanäle 31 in den Strömungsringspalt 3 geleitet wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel mündet der Verteilerkanal 31 mit seiner Verteileröffnung 33 im Bereich der Zylinderfläche 11 in den Strömungsringspalt 3 ein. [0032] In einer Strömungsrichtung des Schutzgases hinter der radialen Verteileröffnung 33 ist ein ringförmiges Spritzschutzelement 35 vorgesehen, das zwischen dem Kontaktrohr 1 und der Schutzgasdüse 5 geschaltet ist. Das Spritzschutzelement 35 ist unmittelbar hinter der Verteileröffnung 33 angeordnet und stirnseitig angefast, sodass der Außenrand des Spritzschutzelementes 35 den Innenrand überragt. Das auf diese Weise angefaste Spritzschutzelement 35 übernimmt somit eine strömungsgünstige Umlenkung der aus den Verteilerkanälen 31 kommenden Schutzgasströmung in Richtung auf den Düsenmund 7. [0033] Die Schutzgasströmung wird somit ohne größere Verwirbelungen nahezu laminar in den Ringspalt 3 gelenkt. Zur weiteren Unterstützung einer Laminarströmung des Schutzgases sind die, den Ringspalt 3 begrenzenden Innenseiten der Schutzgasdüse 5 und des Kontaktrohres 1 stufen- und kantenfrei gestaltet. [0034] Gemäß der Figur ist die, den Strömungsringspalt 3 begrenzenden Innenseite ausnahmslos durch das Kontaktrohr 1 gebildet. Dabei überragt die Schutzgasdüse 5 die Stirnseite des Kontaktrohres 1, wobei der Durchmesser einer Gasaustrittsöffnung 37 der Schutzgasdüse 5 bei 4 mm liegt. Patentansprüche 1. Schutzgasschweißbrenner mit einem Kontaktrohr (1), durch das ein Schweißdraht (29) zu einer Schweißstelle geführt ist, und einer das Kontaktrohr (1) umschließenden Schutzgasdüse (5), die mit dem Kontaktrohr (1) einen düsenmundseitigen offenen Strömungsringspalt (3) begrenzt, der auf der den Strömungsringspalt (3) begrenzenden Ringinnenseite (9, 11) durch eine Zylinderfläche (11) und eine daran anschließende bis zum Düsenmund (7) kontinuierlich verjüngte Konusfläche (9) begrenzt ist, der ausgehend von zumindest einer als Radialöffnung auf der Zylinderfläche (11) in den Strömungsringspalt (3) mündenden Verteileröffnung (33) von Schutzgas durchströmt ist und zwischen dem Kontaktrohr (1) und dem Düsenstock 815) und der Schutzgasdüse (5) ein ringförmiges Spritzschutzelement (35) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die den Strömungsringspalt (3) innenseitig begrenzende Zylinderfläche (11) mit der darin ausgebildeten mindestens einen Verteileröffnung (33) im Kontaktrohr (1) ausgebildet ist.
2. 2. Schutzgasschweißbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzschutzelement (35) in Schutzgasströmungsrichtung hinter der Verteileröffnung (33) angeordnet ist.
3. 3. Schutzgasschweißbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzschutzelement (35) strömungsleitend angefast ist.
4. 4. Schutzgasschweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasdüse (5) in Richtung auf den Düsenmund (7) konisch verjüngt ist.
5. 5. Schutzgasschweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasdüse (5) das Kontaktrohr (1) überragt. 4/6 österreichisches Patentamt AT506 485B1 2012-10-15
6. 6. Schutzgasschweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Austrittsöffnung (37) der Schutzgasdüse (5) in einem Bereich von 3 mm bis 6 mm liegt.
7. 7. Schutzgasschweißbrenner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasdüse (5) das Kontaktrohr (1) in einem Bereich von 2 mm bis 10 mm überragt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6