DE102005042955A1 - Plasmaschweiß- und Schneidbrenner mit einem Kühlsystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plasmaschweiß- und Schneidbrenner mit einem Kühlsystem, wobei insbesondere Wasser das Kühlmittel ist. DOLLAR A Erfindungswesentlich ist, das der Plasmaschweiß- und Schneidbrenner mit mehreren voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen ausgerüstet ist, wobei die Kühlkreisläufe in voneinander elekrrisch getrennten Einheiten angeordnet sind. Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist die Anordnung mit einem dritten Kühlkreislauf in der Schutzgasdüse. Der Kühlwasserstrom in jedem Kühlkreislauf sollte 0,6 l/min. nicht unterschreiten. DOLLAR A Der Plasmaschweiß- und Schneidbrenner ist besonders geeignet für Schweißverfahren mit hohen Stromleistungen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Plasmaschweiß- und Schneidbrenner, im folgenden als Plasmabrenner bezeichnet, mit einem Kühlsystem, wobei als Kühlmittel bevorzugt Wasser eingesetzt wird. Plasmabrenner bestehen aus zwei untereinander angeordneten Bauteileinheiten mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen, die elektrisch voneinander getrennt sind. Im oberen Bauteil ist die Wolframelektrode angeordnet. Zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück brennt der Hauptlichtbogen. Die Wolframelektrode ist daher extrem temperaturbelastet. Die extreme Temperaturbelastung beeinflusst die Standzeit der Wolframelektrode negativ. Im unteren Bauteil ist die Plasmagasdüse angeordnet. Zwischen der Plasmagasdüse und der Wolframelektrode brennt der Pilotlichtbogen. Die Plasmagasdüse schnürt den Hauptlichtbogen ein, wobei ein Teil der Energie des Hauptlichtbogens auf die Plasmagasdüse übertragen wird. Dadurch ist auch das untere Bauteil eines Plasmabrenners einer extremen Temperaturbelastung ausgesetzt. Um eine lange Lebensdauer von Wolframelektrode und Plasmagasdüse zu erhalten, ist es wichtig, die sich bildende Wärme an der Wolframelektrode und der Plasmadüse aus dem Plasmabrenner abzuleiten. Bekannte Kühlsysteme führen Kühlwasser an die Plasmagasdüse, wo das Kaltwasser des Kühlkreislaufes die an der Plasmagasdüse entstandene Wärmeenergie aufnimmt und das nun bereits vorgewärmte Wasser weiter an die Wolframelektrode geführt wird, um von der Wolframelektrode weitere Wärmeenergie aufzunehmen. Das angewärmte Kühlwasser wird aus dem Kreislauf entfernt und kontinuierlich durch neues Kaltwasser ersetzt. Das Abführen der Prozesswärme mittels einem gemeinsamen Kühlkreislaufes für Plasmagasdüse und Wolframelektrode hat auch einige Nachteile. Der Kühlwasserkreislauf zwischen den elektrisch unterschiedlich geladenen Brennerteilen, Wolframelektrode und Plasmagasdüse, wird durch Dichtungen voneinander getrennt, wobei Undichtigkeit nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Zum Instandsetzen müssen die Plasmabrenner zerlegt werden, dabei kann der Austritt von Kühlwasser auch nicht vollständig verhindert werden. Das austretende Kühlwasser kann in die Plasma-, Schutz- oder Fördergaskanäle eindringen und führt beim späteren Schweißprozess zur Porenbildung. Porenbildung in einer Schweißnaht hat hohe Nacharbeitskosten zur Folge. Außerdem kommt es über das Kühlwasser leicht zum Stromfluss zwischen den unterschiedlichen Potentialen, da das Kühlwasser nur bei Verwendung von destilliertem Wasser nicht leitfähig ist. Der Vollständigkeit halber sei an der Stelle darauf hingewiesen, dass die Verwendung von destilliertem Wasser die Korrosion am Brenner außerdem nicht gänzlich verhindern kann. Ein Stromfluss im Brenner ist aber ein Prozesskriterium, das die Lebensdauer der Plasmabrenner drastisch reduziert. Lange Isolierwege sind zwar eine Möglichkeit, Stromflüsse zu verringern oder zu vermeiden, machen den Plasmabrenner in seinen Abmessungen jedoch auch größer.
• Vor diesem technischen Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Lösung zur Verlängerung der Standzeit der Wolframelektrode und der gesamten Lebensdauer des Plasmabrenners zu entwickeln.
• Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe führen eine höhere Wärmemenge ab und eliminieren damit eine Potentialverschleppung zwischen den unterschiedlichen Potentialen der Wolframelektrode und Plasmadüse des Plasmabrenners. Auf diese Weise wird die Temperaturbelastung des Plasmabrenners wesentlich reduziert und die Standzeit der Wolframelektrode sowie die Lebensdauer des Plasmabrenners wird erhöht. Die voneinander getrennt angeordneten Kühlwasserkreisläufe gewährleisten eine wesentlich intensivere Kühlung des Plasmabrenners. Der Druckverlust im einzelnen Kühlwasserkreislauf ist erheblich niedriger, so dass eine höhere Kühlwassermenge zur Kühlung der Wolframelektrode und der Plasmagasdüse zur Verfügung steht. Die Kühlwassertemperaturen sind insgesamt auf einem weit abgesenktem Niveau. Durch zwei voneinander getrennt angeordnete Kühlwasserkreisläufe ist ein Plasmabrenner bei gleicher Baugröße deutlich höher strombelastbar bei gleichzeitig längerer Lebensdauer der Wolframelektrode und Plasmagasdüse. Der Wegfall von Dichtungen erhöht die Servicefreundlichkeit und macht den Plasmabrenner anwenderfreundlicher. Die intensive Kühlung nach der Erfindung vermindert natürlich auch das Anhaften oder Anbacken von Schweißspritzern, deswegen ist der erfindungsgemäße Plasmabrenner für den Einsatz von Pulver auf Nickelbasis besonders geeignet. Von der Erfindung werden auch Plasmabrenner mit mehr als zwei voneinander getrennt angeordneten Kühlwasserkreisläufen umfasst, da das Bauprinzip erweiterbar ist.
• Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen
• 1 Schnitt des Plasmabrenners mit zwei Kühlwasserkreisläufen
• 2 Schnitt des Plasmabrenners mit drei Kühlwasserkreisläufen
• Der Plasmabrenner ist zweiteilig aufgebaut und besteht aus einem Oberteil 1, indem der Elektrodenhalter 4 unlösbar angeordnet ist. Im Elektrodenhalter 4 nimmt die Wolframelektrode 5 in bestimmter Position auf. Oberteil 1 ist mit einem Kühlwasserkreislauf ausgerüstet. Über die Kaltwasserzufuhr 1.1 fließt das Kühlwasser in die Kühlkammer 1.3, die den Elektrodenhalter ringförmig umschließt und dem Wärmeaustausch zwischen Wolframelektrode und Kühlwasser dient. Das aufgewärmte Kühlwasser wird über die Warmwasserabfuhr 1.2 dem Kühlkreislauf entzogen, so dass ein kontinuierlicher Kühlprozess im Oberteil 1 gewährleistet ist. Im Unterteil 3 sind die Pulverzuführung 3.3 und ein zweiter Kühlwasserkreislauf angeordnet. Oberteil 1 und Unterteil 3 sind über das Isolierteil 2 miteinander elektrisch isoliert verbunden. Im Isolierteil 2 ist die Plasmagaszuführung 2.1, die in den Plasmakanal 2.2 mündet, angeordnet. Die Wolframelektrode 5 ragt in den Plasmakanal 2.2 ein und endet mit der Spitze in der Plasmagasdüse 3.6, die das Plasmagas fokussiert. Das Unterteil 3 des Plasmabrenners wird überdeckt von der Gasdüse 6, die mit dem Schutzgas den Lichtbogen vor atmosphärischen Einflüssen abschirmt. Für den zweiten Kühlwasserkreislauf sind im Unterteil 3 die Kaltwasserzuführung 3.1, Kühlkammer 3.4 und Warmwasserabfuhr 3.2 angeordnet. Das Isolierteil 2 wirkt auch als Wärmeisolation zwischen Oberteil 1 und Unterteil 3 und gewährleistet mit dieser Anordnung eine strenge separate Kühlung der einzelnen Bauelemente. Im unteren Bereich wird das Unterteil 3 des Plasmaschweißbrenners mit der Schutzgasdüse 6 abgedeckt, wobei das aus dem Schutzgasaustritt 6.2 strömende Schutzgas den Plasmalichtbogen vor atmosphärischen Einflüssen schützt und eine gute Qualität der Schweißnaht gewährleistet. Die Kühlung des Plasmabrenners mit zwei voneinander unabhängigen Kühlwasserkreisläufen verbessert die Strombelastbarkeit wesentlich und verlängert damit die Lebensdauer des Plasmabrenners deutlich.
• Eine vorteilhafte Ausbildung der vorliegenden Erfindung zeigt 2. Hier ist auch die Gasdüse 6 mit einem Kühlwasserkreislauf ausgerüstet, über die Kühlwasserzufuhr 6.3 wird das Kaltwasser in die Kühlkammer 6.4 geleitet und nimmt die Wärmeenergie der Gasdüse 6 auf. Das angewärmte Kühlwasser wird über die Warmwasserabfuhr 6.4 dem Kühlwasserkreislauf entzogen. Die dadurch kompliziertere Gestaltung des Plasmaschweißbrenners wird durch die hohe Leistungsfähigkeit kompensiert und ist insbesondere für Schweißprozesse, die einen Schweißstrom > 250 A erfordern, geeignet. So hohe Schweißströme entwickeln eine stärkere Erwärmung der Schutzgasdüse durch die Strahlungswärme des Schmelzbades und meist auch das zusätzliche Vorwärmen des Grundwerkstoffes. Dabei kann die Vorwärmtemperatur bis 600° C betragen.
• Der dadurch wärmebedingten Verzunderung der Schutzgasdüse wird mit dieser Ausführung sehr effektiv entgegen gewirkt.
• Damit die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers im Kühlwasserkreislauf den Wärmeaustausch im erforderlich Maß auch garantiert, ist darauf zu achten, dass 0,6 l/min. nicht unterschritten werden.
• Die Lehre der Erfindung umfasst natürlich neben Wasser alle Kühlmittel, alle Kühlmittel die sich zur Wärmeübertragung in einem Kreislauf eignen.

Claims (5)

1. Plasmaschweiß- und Schneidbrenner mit einem Kühlsystem, wobei insbesondere Wasser das Kühlmittel ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe hat.
2. Plasmaschweiß- und Schneidbrenner mit einem Kühlsystem, wobei insbesondere Wasser das Kühlmittel ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem mind. zwei voneinander unabhängige Kühlkreisläufe hat, wovon jeder in einem der beiden voneinander elektrisch getrennten Einheiten angeordnet ist.
3. Plasmaschweiß- und Schneidbrenner nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (6) mit einem Kühlwasserkreislauf ausgerüstet ist.
4. Plasmaschweiß- und Schneidbrenner nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserstrom in jedem Kühlwasserkreislauf mind. 0,6 l/min. beträgt.
5. Plasmaschweiß- und Schneidbrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Pulverzuführung vorgesehen ist.