DD288287A7 - Vorrichtung zur reduzierung des schutzgasverbrauches beim schutzgasschweissen (i) - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung, der Schutzgas mit bestimmten konstanten Druck zugefuehrt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dasz fuer das Schutzgas im oder am Brenner ein schraubenfoermiger Kapillarstroemungsweg im Bereich der erhitzten Brennerbauteile angeordnet ist, wobei der schraubenfoermige Kapillarstroemungsweg dichter werdende Windungen aufweist. Fig.{Vorrichtung; Schutzgasschweiszen; Kapillarstroemungsweg; aequivalente Spaltbreite; Schutzgasverbrauch; Schweiszprozeszwaerme; Brenner}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung des Schutzgasverbrauches beim Schutzgasschweißen mit nichtabschmelzender oder abschmelzender Elektrode.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß beim Schutzgasschweißen mit nichtabschmelzender oder abschmelzender Elektrode eine bestimmte Menge Schutzgas pro Zeiteinheit benötigt wird, um die Schweißzone vor den atomosphärischen Einflüssen zu schützen. Dabei wird mittels einer Gasdüse ein laminarer Gasstrahl erzeugt, der die Umgebungsluft verdrängend die Schweißzone einschließt. Das durchgesetzte Gasvolumen am Gasdüsenaustritt ist verantwortlich für die Wirksamkeit des Gasschutzes.

Mit der DD-PS 132056 wird vorgeschlagen, um die Gassäule einen Mantel aushöhertemperiertem Schutzgas zu legen oder die gesamte Schutzgasmenge vor Eintritt in die Schweißdüse zu erhitzen. Diese Lösung führt zu einem gegen Luftströmung stabilen Gasschutz, wobei die verwendeten Schutzgase so zu führen sind, daß durch auftretende Störströmungen die Stabilität der Schutzgasströmung nicht beeinträchtigt wird. Ein Stabilisierungseffekt wird vor allem durch ein vergrößertes Gasvolumen infolge Erwärmung und Ausdehnung des Gases beim Verlassen der Gasdüse erreicht. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß der ökonomische Nutzen gering ist, da eine Reduzierung des Gasverbrauches nicht oder nur mit erhöhtem Energieaufwand zu erreichen ist.

Eine weitere Möglichkeit wäre, die Erwärmung des Gases auf bekannte Weise unter Zuhilfenahme der erhitzten Brennerbestandteile, beispielsweise der Gasdüse, zu bewerkstelligen, wobei der Schutzgasstrom ständig hohen Temperaturschwankungen und demzufolge Volumenschwankungen unterworfen ist. Diese Temperaturschwankungen resultieren vor allem aus Erwärmvorgängen kurz nach dem Einschalten des Schweißprozesses.

Wird eine Erwärmung des Gases mittels gesonderter Heizeinrichtungen vorgenommen, ist zwar für eine konstante Schutzgasdichte gesorgt und auch eine Einsparung von Gas möglich, jedoch nicht ohne zusätzlichen Energieaufwand. Nachteilig ist auch, daß hochbeanspruchte Brennerteile aufgrund mangelnder Kühlung überhitzt werden und somit zum frühen Verschleiß führen.

Durch die DD-PS 220830 werden Schweiß- oder Schneideinrichtungen mit Zuführungseinrichtungen für vorzuheizendes Schutzgas offenbart, bei denen dem Schutzgas Heizenergie durch die beim Schweiß- oder Schneidvorgang frei werdende und auf Brennerbauteilen übertragene Wärme und durch zusätzliche Heizenergiequellen übertragen wird. Diese Lösung hat den Nachteil des zusätzlichen Aufwandes an Heizenergie sowie Regelungsmitteln zur Verstellung der Schutzgasventile zum Zwecke der Gasmengenreduzierung. Beim Schweiß- oder Schneidvorgang werden bei jedem Brenner die der Prozeßwärme durch Strahlung, Konvektion, Wärmeleitung oder der Stromleitungswärme ausgesetzten gasführenden Leitungen und Kanäle erwärmt. Damit ist grundsätzlich vorauszusetzen, daß das Schutzgas beim Schutzgasschweißen in jedem Falle um einen bestimmten Betrag vorgewärmt wird. Es sind bisher jedoch noch keine technischen Lösungen zur Nutzung dieser selbsttätigen, stets vorhandenen Vorwärmung zur Gasmengenreduzierung entwickelt worden.

Bekanntgeworden sind lediglich Lösungen, bei denen die Durchströmung des Schutzgases zur Kühlung der erhitzten Brennerbauteile genutzt wird.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, das Schutzgasschweißen energetisch und stofflich effektiver zu gestalten.

Das Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Reduzierung des Schutzgasverbrauches beim Schutzgasschweißen mit nichtabschmelzender oder abschmelzender Elektrode und Erwärmung des Schutzgases durch die Brennerbauteile sowie konstanten Schutzgasdruck am Brennereingang zu entwickeln, daß mit geeigneten Mitteln und ohne zusätzlichen Aufwand an Energie oder Reglungseinrichtungen der Schutzgasverbrauch reduziert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für das Schutzgas im oder am Brenner ein Kapülarstromungsweg von schraubenförmiger Gestalt im Bereich der der Schweißprozeßwärme ausgesetzten Brennerbauteile angeordnet ist. Der schraubenförmige Kapülarstromungsweg ist zweckmäßigerweise so ausgeführt, daß dessen Windungen zur heißen Zone des Brenners hin zunehmend dichter verlaufen. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß mit einfachsten Mitteln ein bisher nicht bekannter und auch nicht genutzter Selbstregulierungseffekt der Schutzgasmenge beim Schutzgasschweißen im Brenner selbst erzeugt und nutzbar gemacht wird. Grundlage dieses Selbstregulierungseffekts ist, daß proportional mit der Schutzgastemperatur auch die Zähigkeit des Schutzgases wächst und daß mit Erhöhung der Zähigkeit der Schutzgasdurchfluß behindert wird. Die neue technische Lehre der Erfindung besagt, daß eine wirksame Nutzung des Selbstregulierungseffekts dann gegeben ist, wenn dem Schutzgasvolumen eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und insgesamt eine turbulente Strömungsform aufgezwungen wird, was mit dem erfindungsgemäß gestaltetem Kapülarstromungsweg gegeben ist. In diesem definierten Kapülarstromungsweg wird im Gegensatz zu anderen Strömungskanälen ein intensiver Wärmeübergang in die Gasströmung unter schnellem Ausgleich des Temperaturniveaus infolge der erzwungenen hohen Turbulenz erreicht, wobei gleichzeitig durch die Erhöhung der Zähigkeit sowie die Verringerung der Gasdichte eine Reduzierung des Normdurchflusses eintritt, obwohl der Eingangsgasdruck des Schutzgases am Brennereingang unverändert geblieben ist.

Mit dem schraubenförmigen Kapülarstromungsweg, dessen Windungen zur heißen Zone des Brenners hin zunehmend dichter verlaufen, wird die Wärmeaufnahme von den der Schweißprozeßwärme ausgesetzten Brennerbauteilen in das Schweißgas intensiviert und ein besonders erhöhtes, für den Selbstregulierungseffekt besonders wirksames Temperaturniveau des Schutzgases im Kapülarstromungsweg gesichert.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in schematischem Schnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit schraubenförmigem Kapülarstromungsweg. Der Brenner mit einer Einspannstelle 1 am Brenneraußenmantel 2 verfügt neben einem herkömmlichen Schweißstromanschluß 3 und einer Schweißdrahtzuführung 4 über einen schraubenförmigen Kapülarstromungsweg 5 zur Gasführung, der als Kapillarrohr schraubenförmig um das Innenrohr 6 gewickelt ist, wobei die Dichte der Windungen in den heißen Bereichen zur Stromkontaktdüse 7 hin zunimmt. Bei größer werdenden Wicklungsabständen oberhalb dieser Bereiche ist das Kapülarrohr in einer Nut 8 am Innenrohr 6 verlegt. Der Gaseintritt 9 in den schraubenförmigen Kapülarstromungsweg 5 erfolgt am kalten Brennerende. Der schraubenförmige Kapülarstromungsweg 5 mündet mit dem Gasaustritt 10 in den Hohlraum 11 zwischen der Bohrung des Innenrohres 6 und der Drahtführungsspirale 12. Zwischen dem Hohlraum 11 und dem Ringraum 13zwischen dem Innenrohr 6 und dem Brenneraußenmantel 2 ist ein Überströmkanal 14. Der Ringraum 13 mündet in die Gasdüse 15. Der Innendurchmesser des schraubenförmigen Kapillarströmungswegs 5 beträgt 0,5-1 mm, hergestellt aus Kupfer, einem gutwärmeleitfähigem Material. Der thermische Kontakt zwischen dem schraubenförmigen Kapülarstromungsweg 5 und Innenrohr б ist infolge Verlöten sehr gut. Der konstante Vordruck des Schutzgases beim Einströmen in den Gaseintritt 9 wird über einen nichtdargestellten Druckregler so gewählt, daß sich bei kaltem Brenner an der Gasdüse 3 ein Volumenstrom einstellt, der für einen wirksamen Gasschutz ausreicht. Je nach Brennerkonstruktion und Schweißbedingungen liegt die erforderliche Schutzgasmenge bei 10 bis 20l/min. Während des Schweißens erhitzt sich der Brenner bis auf Temperaturen von 300 bis 600⁰C im Gasdüsenbereich. Dabei ist der stationäre Temperaturbereich je nach Kühlart und Konstruktion nach 60 Sekunden erreicht. Das Schutzgas erwärmt sich beim Durchströmen der heißen Gasdüse 3 auf annähernd Gasdüsentemperatur und verdoppelt dabei annähernd sein Volumen gegenüber dem Umgebungszustand. Analog dazu erwärmt sich das mit hoher Turbulenz den ebenfalls erhitzten schraubenförmigen Kapillarströmungsweg 5 durchströmende Gas, wodurch es zu einem erhöhten Durchlaßwiderstand und somit zu geringerem Gasdurchsatz kommt. Bei Brennerabkühlung, welche Ursache auch immer, erhöht sich der Gasdurchsatz wieder. Der so erreichte Selbstregeleffekt bewirkt eine Dämpfung dertemperaturbedingten Gasschwankungen an der Gasdüse 3 über die gesamte Lichtbogenbrenndauer hinweg im Sinne des Abbaus unnötiger Steigerungen des Volumenstroms am Austritt der Gasdüse 3 und bewirkt damit eine wesentliche Einsparung an Schutzgas.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Reduzierung des Schutzgasverbrauchs beim Schutzgasschweißen mit nichtabschmelzender oder abschmelzender Elektrode bei konstantem Schutzgasdruck am Brennereingang und Erwärmung des Schutzgases durch die Brennerbauteile, wobei die Temperatur des Schutzgases oder bestimmter Brennerbauteile auf die Schutzgasmenge derart zurückgeführt wird, daß die Schutzgasmenge von einer großen Anfangsmenge bei niedriger Anfangstemperatur auf eine geringere Momentan- oder Dauermenge bei höherer Momentan- oder Dauertemperatur reduziert wird, gekennzeichnet dadurch, daß für das Schutzgas im oder am Brenner ein Kapillarströmungsweg (5) von schraubenförmiger Gestalt im Bereich der der Schweißprozeßwärme ausgesetzten Brennerbauteile angeordnet ist, wobei die Windungen des schraubenförmigen Kapillarströmungswegs (5) zur heißen Zone des Brenners hin zunehmend dichter verlaufen.

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