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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Schweißdüsen von der Art, wie sie für Metall-Schutzgasschweißen (MSG) verwendet werden, wobei die Schweißdüse bei der Bereitstellung eines Schutzgases für den Lichtbogenschweißbetrieb verwendet wird und daher auch als Gas- bzw. Schutzgasdüse bezeichnet werden kann. Derartige Gasdüsen werden beispielweise in den Druckschriften
US 2005 / 0 258 157 A1 ,
DE 43 04 318 A1 oder
JP S63- 137 581 A beschrieben. Im Spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung eine Schweißdüse, die einen Schichtverbundaufbau aufweist, der ein selbstreinigendes Merkmal vorsieht.
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Hintergrund der Erfindung
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Metall-Schutzgasschweißen (MSG) wird sehr häufig verwendet, um eine große Auswahl von Metallarten zu schweißen, wobei eine Lichtbogenschweißvorrichtung mit einer Schutzgasvorrichtung kombiniert ist, um eine Gasabschirmung an der Schweißstelle bereitzustellen. Das Schutzgas kann ein Inertgas wie z. B. Argon oder Helium, ein allgemein nichtreaktives Gas wie z. B. Kohlendioxid oder Kombinationen davon einschließlich weiterer Gase wie z. B. Sauerstoff sein. Die Wahl des Schutzgases hängt allgemein von der Art des geschweißten Metalls ab.
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Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, verwendet eine MSG-Vorrichtung eine Quelle elektrischen Stroms, üblicherweise Gleichstrom, welcher an eine Elektrode bereitgestellt wird. Von der Spitze der Elektrode gelangt der Strom zu einem Werkstück, welches davon um eine kurze Distanz getrennt ist, wonach das Schweißen des Werkstückes stattfindet, während das Schutzgas die Umgebung des Schweißens flutet. Um ein MSG in einer sicheren und effizienten Weise vorzusehen, wird eine Schweißpistole verwendet, die eine Benutzer- oder Robotersteuerung vorsieht und eine MSG-Düse umfasst, an der die Elektrode und der Versorgungskanal für das Schutzgas angeordnet sind. Beispielhafte Schweißpistolen sind in dem U.S. Patent
US 4 954 690 A und dem U.S. PatentUS 7 105 775 B2 beispielhaft dargelegt.
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Wendet man sich den 1A bis 1C zu, sind die Details einer typischen MSG-Düse erläutert.
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Wie in den 1A und 1B allgemein gezeigt, umfasst eine MSG-Düsenanordnung 10 eine MSG-Düse 12, die durch einen Gewindeabschnitt 10a entfernbar mit einer Mundstückkomponente 14 einer Schweißpistole verbunden ist. Die MSG-Düse 12 umfasst ein allgemein zylindrisches Abschirmgehäuse 16, das ein offenes Ende 16a aufweist. Die Mundstückkomponente 14 umfasst: eine innere Elektrodenvorschubvorrichtung18, mit der eine drahtartige Elektrode 20 verbunden ist, die eine Elektrodenspitze 20a aufweist, welche von dem offenen Ende des Abschirmgehäuses vorsteht; ein Elektrodenkontaktrohr 22 zum Liefern von elektrischem Schweißstrom an die Elektrode, und einen Schutzgasdurchgang 24, der kommunizierende Kanäle 24a umfasst, durch welche das Schutzgas G in das Abschirmgehäuse 16 geliefert wird, um aus demselben an dem offenen Ende 16a davon strömend auszutreten.
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Wie in 1C gezeigt ist, haben sich nach einer Betriebsdauer der MSG-Düsenanordnung 10 an der inneren Abschirmfläche 16b des Abschirmgehäuses Schweißspritzer 26 angesammelt, die das offene Ende 16a verstopft haben. Dieser Zustand ist relativ problematisch, da er nicht nur die strömende Strömung des Schutzgases einschränken oder fehlleiten kann, sondern die einwandfreie Funktion der Elektrode beeinträchtigen kann. Jedes dieser Probleme kann die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen, mit der das Werkstück versehen ist. Somit ist ein regelmäßiges Wartungsregime erforderlich, um angesammelte Fremdkörper zu beseitigen und die MSG-Düse auszutauschen, wenn angesammelte Fremdkörper nicht beseitigt werden können. Die Notwendigkeit, die Düsenabschirmung regelmäßig zu warten, hat zusätzliche Kosten, welche die Stillstandzeit für die MSG-Vorrichtung umfassen, zur Folge.
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Es besteht somit auf dem technischen Gebiet Bedarf, auf irgendeine Art eine MSG-Düsenanordnung vorzusehen, die nicht von den Beeinträchtigungen einer Schweißspritzeransammlung betroffen ist, welche derzeit den gegenwärtigen Stand der Technik von MSG-Düsen belastet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist eine MSG-Düsenanordnung, die insofern nicht von den Schwächen einer Schweißspritzeransammlung betroffen ist, die derzeit den gegenwärtigen Stand der Technik von MSG-Düsen belastet, als die Innenfläche der MSG-Düse durch eine Schichtverbundgruppe gekennzeichnet ist, deren Schichten sich während des Betriebes nacheinander trennen, um kontinuierlich eine saubere Innenfläche der Schweißdüse vorzusehen.
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Die selbstreinigende MSG-Düse gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Düsenabschirmung eine Schichtverbundgruppe aufweist, die vorzugsweise aus sequentiell alternierenden Schichten aus einem Metall und einem wärmeempfindlichen Bindematerial zusammengesetzt ist. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer geeigneten Schichtverbundgruppe ist eine Schichtenfolge, die aus konzentrischen Kupferschichten besteht, die zwischen konzentrischen wärmeempfindlichen Polymerschichten angeordnet und durch diese angrenzend gebunden sind.
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Im Betrieb der selbstreinigenden MSG-Düse über eine Zeitspanne eines Gebrauches, beginnen sich Schweißspritzer auf der Innenfläche des Abschirmgehäuses anzusammeln, die gemäß der vorliegenden Erfindung eine äußerste Metallschicht der Schichtverbundgruppe ist. Da die Wärme des Schweißens über diese gleiche Zeitdauer anhält, löst sich die Haftung der äußersten Bindeschicht in Bezug auf die äußerste Metallschicht und die gegenüberliegend angeordnete angrenzende (der äußersten am nächsten liegenden) Metallschicht (d. h. die Klebeverbindung versagt). Als solches trennt sich die äußerste Metallschicht und wird durch die Kraft des strömenden Schutzgases aus der selbstreinigenden MSG-Düse geblasen, wobei die Metallschicht, die sich genau darunter befunden hat, die vormals der äußersten am nächsten liegende Metallschicht, welche nun die neue äußerste Metallschicht, frei von Schweißspritzern, ist, freigelegt wird. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis alle Metallschichten nacheinander freigelegt wurden, wonach es Zeit ist, die selbstreinigende Gasdüse auszutauschen.
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Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine selbstreinigende MSG-Düse vorzusehen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Innenfläche der Düsenabschirmung und eine Schichtverbundgruppe von alternierenden Schichten aus Metall Bindematerial aufweist, wobei die Wärme des Schweißens auf die gegenwärtig äußerste Bindeschicht wirkt, um ihr Haftungsversagen zu bewirken und die äußerste Metallschicht zu lösen, wobei eine spritzerfreie, nächste Metallschicht darunter freigelegt wird.
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Diese sowie zusätzliche Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform besser verständlich.
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Figurenliste
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- 1A ist eine seitliche Aufrissansicht einer MSG-Düsenanordnung, welche im Stand der Technik verwendet wird.
- 1B ist eine seitliche Schnittansicht der MSG-Düsenanordnung nach dem Stand der Technik, entlang der Linie 1B-1B von 1A betrachtet.
- 1C ist eine seitliche Schnittansicht der MSG-Düsenanordnung nach dem Stand der Technik wie in Fig. 1B, wobei nun Schweißspritzer die Düsenabschirmung infolge einer Betriebsdauer beeinträchtigen.
- 2 ist eine seitliche Schnittansicht einer MSG-Düsenanordnung, welche eine selbstreinigende MSG-Düse gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
- 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2.
- 4 ist eine Teilschnittansicht entlang der Linie 4-4 von 3.
- 5A ist eine seitliche Schnittansicht einer MSG-Düsenanordnung, welche eine selbstreinigenden MSG-Düse gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, wobei nun, nach einer Betriebsdauer, Schweißspritzer begonnen haben, sich an der Innenfläche der Düsenabschirmung anzusammeln.
- 5B ist eine Teilschnittansicht an dem Kreis 5B der 5A.
- 5C ist eine Ansicht ähnlich wie Fig. 5B, wobei nun die äußerste Metallschicht sich gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung von der Schichtverbundgruppe abgetrennt hat.
- 6A ist eine seitliche Schnittansicht der MSG-Düsenanordnung von Fig. 5A, wobei gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie in 5C gezeigt, die der äußersten Metallschicht am nächsten liegende nun die neue äußerste Metallschicht ist, weshalb ein Nichtvorhandensein von Schweißspritzern an der neuen inneren Fläche der Düsenumhüllung gegeben ist.
- 6B ist eine Seitenteilansicht an dem Kreis 6B der 6A.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen die 2 bis 6B Aspekte einer selbstreinigenden MSG-Düse 100 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Wie in den 2 bis 4 beispielhaft gezeigt, bildet die selbstreinigende MSG-Düse 100 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Komponententeil einer MSG-Düsenanordnung 102.
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Beispielsweise umfasst die MSG-Düsenanordnung 102 eine Mundstückkomponente 104 einer Schweißpistole, die auf dem technischen Gebiet bekannt ist, jedoch nicht notwendigerweise von der in den 1A bis 1C gezeigten Art sein muss. Die Mundstückkomponente 104 umfasst beispielsweise: eine innere Elektrodenvorschubvorrichtung 106, mit der eine drahtähnliche Elektrode 108 verbunden ist; ein Elektrodenkontaktrohr 110 zum Liefern von elektrischem Schweißstrom an die Elektrode und einen Schutzgasdurchgang 112, der kommunizierende Kanäle 112a umfasst, durch die hindurch das Schutzgas G' strömend geliefert wird.
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Die selbstreinigende MSG-Düse 100 der vorliegenden Erfindung ist durch einen Gewindeabschnitt 114 entfernbar an der Mundstückkomponente 104 befestigt. Ein selbstreinigendes, allgemein zylindrisches Abschirmgehäuse 116 umgibt die Elektrode 108 und das Elektrodenkontaktrohr 110 und weist ein offenes Ende 116a auf, aus dem heraus die Elektrodenspitze 108a vorsteht. Wie in 3 gezeigt, sind die oben genannten Komponenten konzentrisch angeordnet.
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Insbesondere unter Bezugnahme auf den Selbstreinigungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist die innere Abschirmfläche 116b des Abschirmgehäuses 116 durch eine Schichtverbundgruppe 118 gekennzeichnet, die an einer vertieften inneren Abschirmfläche 116c angeordnet ist und eine Dicke aufweist, die sich z. B. über einen wesentlichen Abschnitt der Dicke des Abschirmgehäuses erstreckt. Wenn, als nicht einschränkendes Beispiel, das Abschirmgehäuse eine durchschnittliche Gesamtwanddicke d von etwa 3 mm aufweist, könnte die eingeschlossene Dicke t der Schichtverbundgruppe etwa 0,5 bis 1,5 mm betragen. Die axiale Länge L der Schichtverbundgruppe 118 umfasst alle Flächen der inneren Abschirmfläche 116b, an denen die Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich Schweißsplitter ansammeln, und kann länger oder kürzer als gezeigt sein. Diesbezüglich setzt die axiale Länge L auch voraus, dass der Einfluss der Schweißwärme auf die äußerste Bindeschicht überall angewendet wird, um die vorgesehene Zeitvorgabe des Trennens der äußersten Metallschicht bereitzustellen, wie hierin unten stehend erläutert.
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Die Schichtverbundgruppe 118 ist vorzugsweise aus sequentiell alternierenden Schichten zusammengesetzt, welche aus einer Vielzahl von Metallschichten M, die z. B. aus Metallschichten M1, M2,...Mn bestehen, und einer Vielzahl von dazwischen liegenden wärmeempfindlichen Bindematerialschichten B zusammengesetzt sind, welche z. B. aus den Bindematerialschichten B1, B2, ...Bn, bestehen, wobei die Anzahl der Schichten, n, beispielsweise auf der Basis der Abmessungsfaktoren und vorgesehenen Schweißzyklen gewählt ist, für welche die selbstreinigende Gasdüse voraussichtlich arbeitet. Die Bindeschichten B dienen dazu, die jeweils angrenzenden Metallschichten M daran anzukleben und dabei die Schichtverbundgruppe 118 als ein Ganzes zusammenzukleben, wie auch die Schichtverbundgruppe an die vertiefte innere Abschirmfläche 116c zu kleben.
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Ein Beispiel eines geeigneten Metalls für die Metallschichten M ist Kupfer, es können jedoch auch andere Metalle verwendet werden; die Wahl hängt allgemein von der Art der Schweißvorgänge ab, die mit der selbstreinigenden Gasdüse 100 verwendet werden. Ein Beispiel eines geeigneten Bindematerials für die Bindematerialschichten B ist ein wärmeempfindlicher Polymerklebstoff. Zum Beispiel kann, je nach Anwendung und Auswahl eines Metalls für die Metallschichten, eine Klebertrenntemperatur der Bindematerialschicht B im Bereich von etwa 300 und 600 Grad Fahrenheit liegen. Wärmeempfindliche Polymere sind gut bekannt und allgemein erhältlich, z. B. über Master Bond, Inc. aus Hackensack, NJ.
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Beispielsweise kann die Schichtverbundgruppe 118 durch eine auf dem technischen Gebiet des Laminierens bekannte Art und Weise wie z. B. durch Tauchen, Sprühen, Formpressen, Laminieren bei erhöhten Temperaturen, Walzen etc. hergestellt werden. Die Dicke einer jeden der Metallschichten M kann für ein nicht einschränkendes Beispiel in der Größenordnung zwischen etwa 50 und 200 Mikrometer liegen. Die Dicke einer jeden der Bindematerialschichten B kann für ein nicht einschränkendes Beispiel in der Größenordnung zwischen etwa 10 und 50 Mikrometer liegen. Die Auswahl der jeweiligen Dicken der Metall- bzw. Bindematerialschichten kann ansonsten z. B. von der Wahl von Materialien, Düsenabmessungen und der vorgesehen Arten des Schweißens abhängig sein.
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Der Betrieb der selbstreinigenden MSG-Düse 100 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun detailliert erläutert, wobei zusätzliches Augenmerk auf die 5A bis 6B gelegt wird.
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Wie durch die Fig. 5A und 5B beispielhaft dargelegt, werden über eine Zeitspanne der Verwendung der selbstreinigenden MSG-Düse 100, wobei während dieser Zeit das Schweißen stattgefunden hat, Schweißspritzer 130 beginnen, sich an der inneren Abschirmfläche 116b des Abschirmgehäuses 116 anzusammeln, welche gemäß der vorliegenden Erfindung anfänglich eine äußerste Metallschicht M1 der Schichtverbundgruppe 118 ist. Während die Wärme des Schweißens über dieselbe Zeitdauer anhält, wird die Wärme durch die äußerste Schweißschicht geleitet und erwärmt die äußerste Bindematerialschicht B1.
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Wie in den Fig. 5C bis 6B beispielhaft gezeigt ist, trennt sich, während sich die äußerste Bindematerialschicht B1 über eine vorbestimmte Zeit einer Schweißwärmeanwendung, welche empirisch ermittelt sein kann, erwärmt und ihre Trenntemperatur erreicht, die Haftung der äußersten Bindematerialschicht B1 in Bezug auf die äußerste Metallschicht M1 und die gegenüberliegend angeordnete angrenzende (die der äußersten am nächsten liegenden) Metallschicht M2, wobei die Zeitvorgabe jene umfasst, die erforderlich ist, damit die Wärme den Abschnitt der äußersten Bindematerialschicht beeinflusst, der von dem offenen Ende 116a am weitesten entfernt ist.
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Nach dem Lösen der Haftung durch die äußerste Bindematerialschicht B1 trennt sich die äußerste Metallschicht M1 und wird durch die Kraft des strömenden Schutzgases G aus der selbstreinigenden MSG-Düse 100, z. B. entlang des Pfeils A, geblasen, wodurch die Metallschicht, die genau darunter war, freigelegt wird, und zwar: die vormals der äußersten am nächsten liegende Metallschicht M2, welche nun die neue äußerste Metallschicht 116b', frei von Schweißspritzern, ist, wie in den 6A und 6B gezeigt. Die Schichtverbundgruppe 118' weist nun eine Metallschicht weniger und eine Bindematerialschicht weniger als unmittelbar zuvor auf, wobei sie in Bezug auf die äußerste Bindematerialschicht B1 mit dem Austreten der äußersten Metallschicht M1 einhergehen kann (wie gezeigt) oder zum Teil an der Oberfläche der neuen äußersten Metallschicht M2 bleiben kann, woraufhin sie durch die Schweißhitze schnell zerfallen wird. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis alle Metallschichten M1 bis Mn nacheinander freigelegt wurden, woraufhin es Zeit ist, die selbstreinigende Gasdüse auszutauschen.
