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Die Erfindung betrifft einen Brennerhals zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Brenner mit einem solchen Brennerhals gemäß Anspruch 18 und eine Schweißvorrichtung gemäß Anspruch 20.
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Thermische Fügeverfahren nutzen Energie, um die Werkstücke aufzuschmelzen und sie zu verbinden. In der Blechfertigung kommen standardmäßig „MIG“, „MAG“ sowie „WIG“-Schweißen zum Einsatz.
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Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Elektrode (MSG) steht „MIG“ für „Metall-Inertgas“, und „MAG“ für „Metall-Aktivgas“. Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit nicht-abschmelzender Elektrode (WSG) steht „WIG“ für „Wolfram-Inertgas“. Die erfindungsgemäßen Schweißvorrichtungen können als maschinengeführter Schweißbrenner ausgeführt sein, welche an einem Roboterarm angeordnet sind. Es sind aber auch manuell geführte Brenner denkbar.
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Im Allgemeinen erzeugen Lichtbogenschweißvorrichtungen zum Aufschmelzen des Schweißgutes einen Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer abschmelzenden oder nicht abschmelzenden Schweißelektrode. Das Schweißgut sowie die Schweißstelle werden von einem Schutzgasstrom gegenüber den Atmosphärengasen abgeschirmt.
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Dabei ist die Schweißelektrode an einem Brennerkörper eines Schweißbrenners vorgesehen, der mit einem Lichtbogenschweißgerät verbunden ist. Der Brennerkörper enthält gewöhnlich eine Gruppe von innenliegenden, schweißstromführenden Bauteilen, die den Schweißstrom von einer Schweißstromquelle in dem Lichtbogenschweißgerät zur Spitze des Brennerkopfes auf die Schweißelektrode leiten, um dann von dort aus den Lichtbogen zum Werkstück zu erzeugen.
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Der Schutzgasstrom umströmt die Schweißelektrode, den Lichtbogen, das Schweißbad und die Wärmeeinflusszone am Werkstück und wird diesen Bereichen dabei über den Brennerkörper des Schweißbrenners zugeführt. Eine Gasdüse leitet den Schutzgasstrom zum Vorderende des Brennerkopfes, wo der Schutzgasstrom etwa ringförmig um die Schweißelektrode aus dem Brennerkopf austritt.
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Der zum Schweißen erzeugte Lichtbogen erhitzt während des Schweißvorgangs das zu schweißende Werkstück sowie gegebenenfalls zugeführtes Schweißgut, sodass diese aufgeschmolzen werden.
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Neben dem Schweißen kommt auch das Löten in Betracht, um Blechbauteile zu verbinden. Anders als beim Schweißen wird dabei nicht das Werkstück, sondern nur der Zusatzwerkstoff geschmolzen. Der Grund dafür ist, dass beim Löten zwei Kanten durch das Lot als Zusatzwerkstoff miteinander verbunden werden. Die Schmelztemperaturen des Lotwerkstoffes und der Bauteilwerkstoffe liegen weit auseinander, weshalb bei der Bearbeitung nur das Lot schmilzt. Zum Löten eignen sich neben WIG-, Plasma- und MIG-Brennern auch LASER.
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Ein erfindungsgemäßer Brennerhals bzw. Brenner kann in eine derartige Schweißvorrichtung eingesetzt werden. Solche Vorrichtungen mit Schweißdraht- und Prozessgaszuführung sind bereits in vielfältiger Art und Weise bekannt.
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In der Regel weisen sie eine Drahtzuführungsdüse mit einem Schweißdrahtkanal auf, wobei die Drahtzuführungsdüse lösbar mit einem Düsenstock verbunden ist. Der Düsenstock wiederum ist lösbar mit einem Profil verbunden, welches mit einem Schweißdrahtkanal versehen und mit einer Schweißdrahtfördereinrichtung verbunden ist.
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Der Düsenstock dient als Verbindungsstück zwischen Stromdüse und Innenrohr des Brenners, sichert die Stromdüse mechanisch und leitet den elektrischen Strom in Richtung des Drahtvorschubes nach vorn zur Stromdüse bzw. zum Lichtbogen. Zusätzlich leitet der Düsenstock das Schutz- bzw. Prozessgas durch mehrere Bohrungen aus dem Inneren des Innenrohrs nach außen in Richtung Schutzgasdüse und damit daran schließlich zum Schweißprozess. Zusätzlich leitet der Düsenstock thermische Energie aus der Stromdüse in den hinteren Bereich des Brenners bzw. Brennerrohrs.
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Während bei wassergekühlten Brennern die Prozesswärme durch Kühlwasser in mehrteiligen Rohren abgeführt wird, kann bei luftgekühlten Brennern sowohl die Wärmekapazität des Innenrohrs als auch die Wärmekapazität des Schutzgases genutzt werden.
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Ferner weisen derartige Vorrichtungen eine Prozessgaszuführeinrichtung auf, welche in der Regel zumindest einen Prozessgaskanal besitzt, wobei diese Prozessgaszuführeinrichtung mit einem Prozessgasreservoir verbunden ist. Die Prozessgaszuführeinrichtung ist bei bekannten Vorrichtungen mit der Gasdüse versehen, welche an dem Düsenstock angeordnet ist, sodass das Prozessgas direkt über den Düsenstock austritt. Das Prozessgas dient im Wesentlichen dazu, den beim Schweißen auftretenden Schweißschmauch wegzublasen. Sofern ein Inertgas als Prozessgas verwendet wird, wird durch das Prozessgas auch eine Schutzgasglocke gebildet, sodass sehr gute Schweißergebnisse erzielbar sind.
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Aus der
WO 2015/148656 A1 ist eine Schweißvorrichtung mit einem Schwanenhals, einer Diffusorhülse, einem Einsatz, einer Stromkontaktdüse und einer Düse bekannt. Diese Bauteile sind in üblicher Weise derart miteinander verbunden, dass sie eine gemeinsame Achse teilen.
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Der Einsatz weist einen inneren Durchgang und eine Wand auf, die sich zwischen den Enden des Einsatzes erstreckt. Diese Wand weist mindestens ein Loch für eine Fluidverbindung mit dem inneren Durchgang auf. Die Diffusorhülse hat einen inneren Hohlraum und eine Wand, die sich zwischen den Enden erstreckt. Diese Wand kann mindestens ein Loch für die Fluidverbindung mit dem inneren Hohlraum aufweisen.
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Der Einsatz befindet sich im inneren Hohlraum der Diffusorhülse, der zwischen dem Schwanenhals und der Stromkontaktdüse angeordnet ist. Die Wand des Einsatzes und die Wand der Diffusorhülse sind entlang der Längsachse der Endanordnung axial benachbart und in einer Richtung voneinander beabstandet, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Endanordnung verläuft, so dass eine Kammer zwischen der Wand des Einsatzes und der Wand der Diffusorhülse gebildet ist. Das Loch in der Wand der Diffusorhülse und das Loch in der Wand des Einsatzes stehen in Fluidverbindung mit der Kammer.
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Derartige Schweißvorrichtungen sind auch aus der
EP 3 112 072 A1 und der
US 9,950,386 B2 bekannt.
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Nachteilig bei diesen Schweißvorrichtungen ist der aufwendige Aufbau, der die Passgenauigkeit von zwei Halbschalen in einem temperaturbelasteten Bereich zwischen Stromkontaktdüse und Diffusorhülse erfordert. Der Einsatz bei dieser bekannten Schweißvorrichtung ist direkt mit der Stromdüse verbunden und somit hohen Temperaturen ausgesetzt, die Dehnung erzeugt. Insbesondere die halbkugelförmige Ausprägung des hinteren Endes der Stromkontaktdüse als Verschleißteil ist aus Kostengründen nicht optimal. Nachteilig ist weiterhin, dass die Verbindung zur Kammer eher zu Verschmutzung neigen, da sich die Löcher leichter zusetzen als beispielsweise ein Spalt bzw. Ringspalt. Zusätzlich wird die Schutzgasströmung durch die Löcher sehr stark beschleunigt, was zu Turbulenzen führen kann, die bis zum Prozessbereich nicht abgebaut werden können und somit Atmosphärensauerstoff einwirbeln und die Schutzgasabdeckung negativ beeinflussen können. Die Löcher bewirken überdies einen höheren Druckabfall und somit eine reduzierte Schutzgasmenge respektive einen höheren Vordruck zur Erreichung gleicher Schutzgasmengen.
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Weiterhin ist aus der
US 5,313,046 eine Vorrichtung zur Schweißdraht- und Prozessgasführung einer Schweißvorrichtung bekannt, welche aber eine zufriedenstellende homogene Zuführung des Prozessgases nicht sicherstellen kann, da durch die Anordnung der dortigen, das Prozessgas führenden Bohrungen Inhomogenität nicht zu vermeiden ist.
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Nachteilig bei den bekannten Brennern bzw. Schweißvorrichtungen ist es weiterhin, dass die Prozesswärme nicht oder nicht optimal aufgenommen und abgeführt wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Brennerhals bzw. einen Brenner und eine Schweißvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit welcher eine homogene Zuführung des Prozessgases um den Schweißdraht herum auf die Schweißstelle beziehungsweise den Schweißbereich ermöglicht wird.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, das Schutzgas optimal zu nutzen, um Prozesswärme aufzunehmen und abzuführen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Brennerhals mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Ferner wird diese Aufgabe auch durch einen Brenner mit einem derartigen Brennerhals gemäß Anspruch 18 und mit einer Schweißvorrichtung mit einem Brenner gemäß Anspruch 20 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Brennerhals zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, weist eine im Brennerhals angeordnete Elektrode oder einen Draht zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück auf.
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Darüber hinaus ist eine Gasdüse zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt der Gasdüse vorgesehen, mit einem Düsenstock, der einen inneren Hohlraum und wenigstens eine Gasauslassöffnung aufweist, welche mit dem Gasaustritt der Gasdüse in Fluidverbindung steht und mit einem in dem inneren Hohlraum des Düsenstocks angeordneten Düsenstockeinsatz mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende.
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Die Außenwand des Düsenstockeinsatzes ist zur Bildung eines Strömungsraumes für den Schutzgasstrom zumindest bereichsweise von der Innenwand des Düsenstocks beabstandet.
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Der Strömungsraum steht mit der Gasauslassöffnung des Düsenstocks in Fluidverbindung.
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Der Düsenstock, der Düsenstockeinsatz und die Gasdüse sind derart miteinander verbunden, dass sie eine gemeinsame Achse teilen. Der Düsenstock und die Gasdüse können lösbar miteinander verbunden sein.
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Der Düsenstockeinsatz kann sich dann im Düsenstock befinden. Beide Teile sind dann über den Düsenstock miteinander verbunden.
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Erfindungsgemäß ist am vorderen Ende und/oder am hinteren Ende des Düsenstockeinsatzes ein durch einen vorderen und/oder hinteren Spalt gebildeter vorderer und/oder hinterer Einströmbereich zum Einleiten des Schutzgases in den Strömungsraum vorgesehen.
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Der Gasstrom wird durch ein mit einem Gasreservoir in Fluidverbindung stehenden Innenrohr des Brennerhalses zum Düsenstockeinsatzes geleitet. Dort kann der Gasstrom in den durch den vorderen Spalt gebildeten Einströmbereich einströmen und in den Strömungsraum bis zur Gasauslassöffnung des Düsenstocks weitergeleitet werden. Schließlich tritt der Gasstrom aus dem Gasaustritt der Gasdüse zum Schweißprozess aus.
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Insbesondere kann das Schutzgas durch den vorderen Einströmbereich quer, vorzugsweise etwa senkrecht zur Längsachse des Düsenstocks in den Strömungsraum eingeleitet werden, durch welchen das Schutzgas dann entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Inneren des Düsenstockeinsatzes, also nach hinten, strömt, bis es durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks hindurch wieder nach vorne zum Gasaustritt der Gasdüse geleitet wird.
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Gemäß der Erfindung ist es alternativ oder zusätzlich auch denkbar, dass der Einströmbereich durch den hinteren Spalt gebildet ist. Dieser hintere Spalt kann in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung des Düsenstocks liegen. Auf diese Weise wird eine lineare Gasströmung erzeugt. Denn das Schutzgas strömt aus dem Innenrohr des Brennerhalses in den durch den hinteren Spalt gebildeten hinteren Einströmbereich und wird in den Strömungsraum eingeleitet und dann durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks hindurch am Gasauslass aus der Gasdüse herausgeleitet.
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Durch die Bildung eines vorderen und/oder hinteren Einströmbereiches werden turbulente Strömungen des Schutzgasstroms erzeugt, die den Wärmeübergang zwischen Festkörper und Schutzgas erhöhen.
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Insbesondere wird an der Innenwand des Düsenstocks eine turbulente Strömung erzeugt, was durch die reduzierten Querschnitte bzw. Querschnittsänderungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Strömungsgeschwindigkeitsänderungen verbunden ist.
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Der Düsenstockeinsatz wird in die Öffnung des Düsenstocks eingebracht, der einen Spalt zwischen seiner Außenwand und der Innenwand des Düsenstocks bilden kann und im eingebauten Zustand der Spalt entweder zum vorderen Anschlag der Düsenstocköffnung beabstandet und/oder zum angebauten Innenrohr, d.h. nach hinten, beabstandet ist. Der Spalt kann entweder über den kompletten Umfang, d.h. um 360°, oder nur partiell ausgeführt sein. Das Schutz- oder Prozessgas kann durch den sich bildenden Spalt in Richtung der Bohrungen des Düsenstocks strömen.
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Der Brennerhals kann bevorzugt bei luftgekühlten Brennersystemen eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung ist aber auch der Einsatz bei wassergekühlten Brennersystemen denkbar.
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Auf diese Weise wird lediglich durch die Anordnung des Düsenstockeinsatzes relativ zum Düsenstock der Strömungsraum gebildet. Es sind keine zusätzlichen Ausgestaltungen am Düsenstockeinsatz selbst vorzunehmen, wie etwa Durchgangslöcher oder Dergleichen.
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Hierdurch ist erreicht, dass sich das Prozessgas bereits vor dem Ausströmen auf die Gasdüse bzw. die Drahtzuführungsdüse homogen um den Düsenstock herum verteilen kann, und nicht erst unmittelbar vor der Gasdüse aus dem Düsenstock heraustritt. Hierdurch wird die Homogenität des Prozessgases um den Schweißdraht im Bereich der Schweißstelle bzw. des Schweißbereiches sichergestellt.
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Darüber hinaus ist die Verschmutzungsanfälligkeit geringer als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Einsätzen mit Löchern bzw. Bohrungen, welche sich leicht zusetzen und die lokale Beschleunigung der Schutzgasströmung weniger stark ausgeprägt ist.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das vordere Ende des Düsenstockeinsatzes zum vorderen Ende der Gasauslassöffnung des Düsenstocks zur Bildung des durch den vorderen Spalt gebildeten vorderen Einströmbereich beabstandet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das hintere Ende des Düsenstockeinsatzes zum vorderen Ende eines Innenrohrs des Brennerhalses zur Bildung des durch den hinteren Spalt gebildeten hinteren Einströmbereich beabstandet.
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Durch diese Weiterbildungen wird eine diffuse, d.h. turbulente Strömung zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Festkörper und Schutzgas erreicht.
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Eine Durchgangsausnehmung oder ein Loch wie im Stand der Technik ist dagegen bei dem erfindungsgemäßen Brennerhals nicht notwendig. Dadurch verringert sich der konstruktive Aufwand deutlich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Außenwand des Düsenstockeinsatzes zumindest bereichsweise von der Innenwand des Düsenstocks beabstandet ist, so dass auf einfache Weise ein Strömungsraum gebildet werden kann.
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Der Schutz- bzw. Prozessgasstrom wird durch den vorderen und/oder hinteren Einströmbereich in den Strömungsraum eingeleitet, welcher in einfacher konstruktiver Weise durch den Abstand zwischen Düsenstock und Düsenstockeinsatz gebildet ist. Das Gas strömt durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks heraus in Richtung Gasaustritt der Gasdüse.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante liegt der hintere Spalt in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung des Düsenstocks zur Bildung einer linearen Gasströmung.
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Bei dieser Ausführungsform, in welcher der Einströmbereich durch den hinteren Spalt gebildet ist, liegt dieser Spalt in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung des Düsenstocks. Auf diese Weise wird eine lineare Gasströmung erzeugt. Denn das Schutzgas strömt aus dem Innenrohr des Brennerhalses in den durch den hinteren Spalt gebildeten hinteren Einströmbereich und wird in den Strömungsraum eingeleitet und dann durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks hindurch am Gasauslass aus der Gasdüse herausgeleitet.
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Die lineare Gasströmung wird auch Vorwärtsströmung genannt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung liegt der vordere Spalt in Strömungsrichtung gesehen hinter der Gasauslassöffnung des Düsenstocks zur Bildung einer Umkehrströmung des Schutzgasstromes.
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Alternativ ist es denkbar, dass der vordere Spalt in Strömungsrichtung gesehen hinter der Gasauslassöffnung des Düsenstocks liegt, so dass eine Umkehrströmung des Schutzgasstromes gebildet wird. Denn der Gasstrom wird durch das Innenrohr in das Innere des Düsenstockeinsatzes eingeleitet, tritt dann in den durch den vorderen Spalt gebildeten Einströmbereich ein und wird in den Strömungsraum bis zur Gasauslassöffnung des Düsenstocks weitergeleitet, durch welche es dann bis zum Gasauslass der Gasdüse geleitet wird.
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Auf diese Weise wird das Prozess- oder Schutzgas während des Schweißens nicht schon vor dem Auftreffen auf die Schweißstelle bzw. den Schweißbereich durch die sich auf hoher Temperatur befindlichen Gas- bzw. Drahtzuführungsdüse unnötig erhitzt. Hierdurch werden thermisch bedingte Strömungen des Gases minimiert, so dass das Gas besonders homogen auf die Schweißstelle bzw. den Schweißbereich geführt werden kann. Hierbei hat es sich gezeigt, dass hinsichtlich der Schweißnaht sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
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Die Linear-, d.h. Vorwärtsströmung, und die Umkehrströmung können auch miteinander kombiniert werden.
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Bei dieser Variante mit vorderem Spalt ist es möglich, den Düsenstockeinsatz direkt in Kontakt zum Innenrohr zu bringen, was den Vorteil hat, dass auch über das Innenrohr Wärme von vorne nach hinten in den Brenner abgeführt bzw. verteilt wird.
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In besonders vorteilhafter Weise strömt das Schutzgas auf der äußeren Oberfläche des Düsenstockeinsatzes und/oder im Inneren des Düsenstockeinsatzes.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Düsenstockeinsatz mit dem Düsenstock verbunden, insbesondere eingepresst, so dass der Einsatz auf besonders einfache Weise montiert werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Strömungsraum für das Schutzgas im Wesentlichen wenigstens ein sich in Längsrichtung des Düsenstockeinsatzes erstreckenden Linearspalt zwischen der Innenwand des Düsenstocks und der Außenwand des Düsenstockeinsatzes ist.
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Das Gas strömt dabei vom durch den hinteren Spalt gebildeten hinteren Einströmbereich über die Oberfläche des Düsenstockeinsatzes, welche den wenigstens eines Linearpalt aufweist. Das Gas wird dann durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks in Richtung Gasaustritt der Gasdüse geleitet.
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Der Linearspalt lässt sich fertigungstechnisch einfach herstellen, beispielsweise durch die Verwendung von Normprofilen. Erfindungsgemäß kann die Außenform des Profils einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Linearspalt durch auf der Außenwand des Düsenstockeinsatzes sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Düsenstockeinsatzes erstreckende Nuten gebildet, welche vorzugsweise umfangseitig etwa im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Durchgangsbohrungen in der Wand bzw. im Insert sind gegenüber einer auf der Oberfläche vorgesehenen Nut aufwändiger zu fertigen. Die Bohrungen stehen relativ zu den Bohrungen des Gasdüsenträgers und können in ihrer Ausrichtung abweichen. Mit anderen Worten sind zwei Hülsen bzw. Rohrkörper ineinander gesteckt. Beide besitzen eine gewisse Anzahl an Bohrungen, die ringförmig bzw. längs am Umfang verteilt sind. Dabei ist aber nicht sichergestellt, dass die Bohrungen der inneren Hülse, d.h. vom Einsatz, in einer Flucht zu den Bohrungen der äußeren Hülse, d.h. des Gasdüsenträger, stehen.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsraum im Wesentlichen durch einen Helixspalt gebildet, welcher durch ein sich auf der Außenwand des Düsenstockeinsatzes im Wesentlichen in Längsrichtung erstreckendes Gewinde, insbesondere ein Trapezgewinde, gebildet ist. Auf diese Weise wird der Strömungskanal und damit der Strömungsweg und die -zeit des Schutzgasstromes deutlich verlängert, was wiederum zu einer besseren Wärmeaufnahme und Wärmeweiterleitung führt.
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Auch werden unbeabsichtigte Turbulenzen des Schutz- oder Prozessgases weiter vermieden, welche sich störend im Schweißbereich auswirken würden.
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Es ist ein längerer Weg des Gases um den Einsatz herum oder im Düsenstock realisiert, als bei einer geraden Gasstromführung. Durch die Gewindeflanken wird insgesamt auch eine größere Oberfläche vom Gas umströmt.
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weist der Düsenstockeinsatz gegenüberliegende erste und zweite Enden auf, die sich entlang der Achse des Düsenstockeinsatzes mit einer Länge zwischen den Enden erstrecken und wobei der Durchmesser des Düsenstockeinsatzes entlang seiner Länge variiert.
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Vorteilhafterweise weist der Düsenstockeinsatz an seinem dem Gasaustritt der Gasdüse zugewandtem vorderen Ende einen geringeren Querschnitt gegenüber dem dem Gasaustritt abgewandten hinteren Ende des Düsenstockeinsatzes zur Bildung eines Ringkanals des Strömungsraums auf. Auch insofern wird die Kontinuität der Homogenität des Schutz- oder Prozessgases an der Schweißstelle bzw. dem Schweißbereich sichergestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Strömungsrichtung des Schutzgasstroms im Ringkanal wenigstens einmal geändert, so dass die Strömungsdauer bzw. der Strömungsweg des Schutzgasstromes innerhalb der Gasdüse insgesamt verlängert ist. Durch diese Ausgestaltung wird die Wärmeaufnahme und -leitung nochmals verbessert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Düsenstockeinsatz einen inneren Durchgang zur Durchführung einer Elektrode oder eines Drahtes zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück auf.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung strömt der Gasstrom von einem Innenrohr des Brennerhalses in den Düsenstockeinsatz.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Stromkontaktdüse in dem inneren Hohlraum des Düsenstocks derart positioniert, dass sie sich in den inneren Hohlraum des Düsenstocks hinein erstreckt und sich vorzugsweise in einer Richtung von dem Düsenstock gegenüber dem Düsenstockeinsatz nach außen erstreckt.
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Es ist denkbar, dass der Düsenstockeinsatz und die Stromkontaktdüse nicht direkt miteinander in Kontakt stehen, sondern über den Düsenstock verbunden sind. Es ist aber auch denkbar, dass der Düsenstockeinsatz und die Stromkontaktdüse sich nach der Montage im Brenner berühren können, d.h. unmittelbar aneinandergrenzen. Der Düsenstockeinsatz befindet sich im Düsenstock und der Düsenstock ist am Brenner befestigt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Düsenstockeinsatz, die Stromkontaktdüse und der Düsenstock aus einem leitenden Material aufgebaut sind und der Düsenstockeinsatz mit der Stromkontaktdüse in Kontakt steht. Bei dem leitenden Material kann es sich um Kupfer oder Kupferlegierungen, beispielsweise Messing handeln.
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Gemäß einem eigenständigen Gedanken der Erfindung ist ein Brenner mit einem zuvor beschriebenen Brennerhals vorgesehen.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Brenners ist der Düsenstockeinsatz axial in einem Hohlraum des Düsenstocks zwischen dem Brennhals und der Stromkontaktdüse angeordnet.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Dabei zeigen zum Teil schematisch:
- 1 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Brennerhalses mit Gasdüse, Düsenstock und Düsenstockeinsatz gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Detailansicht des Brennerhalses gemäß 1,
- 3 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Brennerhalses mit Gasdüse, Düsenstock und Düsenstockeinsatz gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 4 eines Ausschnitts eines Brennerhalses mit Gasdüse, Düsenstock und Düsenstockeinsatz gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 5 eine perspektivische Ansicht des Düsenstockeinsatzes mit einem Linearspalt,
- 6 eine Explosionsdarstellung des Brennerhalses und
- 7 eine weitere Explosionsdarstellung des Brennerhalses.
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Gleiche oder gleichwirkende Bauteile werden in den nachfolgend dargestellten Figuren der Zeichnung anhand einer Ausführungsform mit Bezugszeichen versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern.
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Gemäß 1 ist ein Brennerhals 10 zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, dargestellt. Der Brennerhals 10 kann Teil eines - nicht dargestellten - Brenners einer Schweißvorrichtung sein.
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Im Brennerhals 10 ist eine Elektrode oder ein Draht zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück angeordnet.
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Eine Gasdüse 1 ist zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 vorgesehen.
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Ein die Gasdüse 1 haltender Düsenstock 3 weist wenigstens eine Gasauslassöffnung 8 für das Schutzgas auf, welche mit dem Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 in Fluidverbindung steht.
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Die sich gegenüberliegenden ersten 4 und zweiten Enden 5 des Düsenstocks 3 erstrecken sich entlang der Achse des Düsenstocks mit einer Länge zwischen den Enden 4, 5.
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Ferner ist im Düsenstock 3 ein innerer Hohlraum 7 vorgesehen, in welchem ein Düsenstockeinsatz 20 mit einem vorderen Ende 23 und einem hinteren Ende 24 angeordnet ist, wie aus 1 und auch aus den 2 bis 4 hervorgeht.
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Der Düsenstockeinsatz 20 ist mit dem Düsenstock 3 mechanisch verbunden, insbesondere in diesen eingepresst. Der Düsenstockeinsatz 20 weist einen inneren Durchgang 21 zur Durchführung einer Elektrode oder eines Drahtes zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück auf.
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Eine Stromkontaktdüse 17 ist in dem inneren Hohlraum 7 des Düsenstocks 3 derart positioniert, dass sie sich in den inneren Hohlraum 7 des Düsenstocks 3 hinein erstreckt und sich vorzugsweise in einer Richtung von dem Düsenstock 3 gegenüber dem Düsenstockeinsatz 20 nach außen erstreckt, wie insbesondere auch die 6 und 7 in einer Explosionsdarstellung zeigen.
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Der Düsenstock 3, der Düsenstockeinsatz 20 und die Gasdüse 1 sind derart miteinander verbunden, dass sie eine gemeinsame Achse teilen, wie aus den 1 bis 7 hervorgeht.
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Wie ebenfalls den 1 bis 5 entnommen werden kann, ist die Außenwand 22 des Düsenstockeinsatzes 20 zur Bildung eines Strömungsraumes 11 für den Schutzgasstrom zumindest bereichsweise von der Innenwand 9 des Düsenstocks 3 beabstandet. Dieser Strömungsraum 11 steht mit der Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 in Fluidverbindung.
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Am vorderen Ende 23 und/oder am hinteren Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 ist ein durch einen vorderen 25 und/oder hinteren Spalt 26 gebildeter vorderer und/oder hinterer Einströmbereich zum Einleiten des Schutzgases in den Strömungsraum 11 vorgesehen.
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Diese Spalte 25, 26 erstrecken sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Düsenstocks 3 bzw. des Düsenstockeinsatzes 20.
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Die erste Ausführungsform des Brennerhalses gemäß 1 zeigt, dass lediglich am vorderen Ende 23 des Düsenstockeinsatzes 20 ein durch den vorderen Spalt 25 gebildeter Einströmbereich vorgesehen ist. Zur Bildung des vorderen Spalts 25 und des vorderen Einströmbereichs ist das vordere Ende 23 des Düsenstockeinsatzes 20 zu einem vorderen Anschlag bzw. einer Kante 28 des Düsenstocks 3 beabstandet angeordnet. In dieser Ausführungsform liegt das hintere Ende 24 ohne Bildung eines Spalts unmittelbar, d.h. direkt angrenzend an einem Innenrohr 18 des Brennerhalses 10 an. 2 verdeutlicht eine Detailansicht und die 6 und 7 eine Explosionsdarstellung dieser Ausführungsform.
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Das Gas strömt aus einem Gasreservoir durch das Innenrohr 18 in Richtung Düsenstockeinsatz 20.
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Gemäß 3 ist eine zweite Ausführungsform des Brennerhalses dargestellt, wobei lediglich am hinteren Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 ein durch den hinteren Spalt 26 gebildeter Einströmbereich vorgesehen ist. Der hintere Spalt 26 ist vorliegend dadurch gebildet, dass das hintere Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 zum vorderen Ende eines Innenrohrs 18 des Brennerhalses 10 beabstandet angeordnet ist, wie aus 3 hervorgeht. Das vordere Ende 23 liegt hierbei ohne Bildung eines Spalts unmittelbar am Anschlag 28 des Düsenstocks 3 des Brennerhalses 10 an.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei welcher sowohl am vorderen Ende 23 als auch am hinteren Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 jeweils ein Spalt 25, 26 vorgesehen ist, welcher jeweils einen Einströmbereich für das Schutzgas in den Strömungsraum 11 bildet.
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In der perspektivischen Darstellung gemäß 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Brennerhalses 10 dargestellt, wobei der Strömungsraum 11 durch mehrere Linearspalte 12 zwischen der Innenwand 9 des Düsenstocks 3 und der Außenwand 22 des Düsenstockeinsatzes 20 gebildet ist, welche sich auf der äußeren Oberfläche 27 des Düsenstockeinsatzes 20 in Längsrichtung des Einsatzes 20 erstrecken.
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Vorliegend ist der Linearspalt 12 durch auf der Außenwand 22 des Düsenstockeinsatzes 20 sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Düsenstockeinsatzes 20 erstreckende Nuten 13 gebildet, welche vorzugsweise umfangseitig etwa im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind.
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Das Schutzgas strömt dabei aus dem Innenrohr 18 über durch die Nuten 13 in Richtung Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 und dann weiter zum Gasaustritt 2 der Gasdüse 1.
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Gemäß einer nicht dargestellten alternativen Ausgestaltung kann der Strömungsraum 11 im Wesentlichen durch einen Helixspalt 14 gebildet sein, welcher durch ein sich auf der Außenwand 22 des Düsenstockeinsatzes 20 im Wesentlichen in Längsrichtung erstreckendes Gewinde 15, insbesondere ein Trapezgewinde, gebildet ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3, in welcher der Einströmbereich durch den hinteren Spalt 26 gebildet, liegt dieser Spalt 26 in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3. Auf diese Weise wird eine lineare Gasströmung erzeugt. Denn das Schutzgas strömt aus dem Innenrohr 18 des Brennerhalses 10 in den durch den hinteren Spalt 26 gebildeten hinteren Einströmbereich und wird in den Strömungsraum 11 eingeleitet und dann durch die Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 hindurch am Gasauslass 2 aus der Gasdüse 1 herausgeleitet.
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Alternativ ist es denkbar, dass der vordere Spalt 25 in Strömungsrichtung gesehen hinter der Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 liegt, wie aus 1 und 2 hervorgeht. Auf diese Weise wird eine Umkehrströmung des Schutzgasstromes gebildet. Denn der Gasstrom wird durch das Innenrohr 18 in das Innere des Düsenstockeinsatzes 20 eingeleitet, tritt dann in den durch den vorderen Spalt 25 gebildeten Einströmbereich ein und wird in den Strömungsraum 11 bis zur Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 weitergeleitet, durch welche es dann bis zum Gasauslass 2 der Gasdüse 1 geleitet wird.
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Wie 1 zeigt, strömt das Schutzgas demnach zunächst im Inneren des Düsenstockeinsatzes 20 in Richtung des vorderen Endes des Brennerhalses 10 bzw. der Gasdüse 1. Dann wird das Schutzgas durch den vorderen Einströmbereich quer zur Längsachse 6 des Düsenstocks 3 in den Strömungsraum 11 eingeleitet, durch welchen das Schutzgas dann entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Inneren des Düsenstockeinsatzes 20, also nach hinten, strömt, bis es durch die Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 hindurch wieder nach vorne zum Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 geleitet wird, so dass die Umkehrströmung entsteht.
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Bei dieser Ausführungsform strömt das Schutzgas im Inneren des Düsenstockeinsatzes 20. Dagegen ist es auch denkbar, dass der Schutzgasstrom alternativ oder zusätzlich auch auf der äußeren Oberfläche 27 des Düsenstockeinsatzes 20 strömt.
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Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass sich die gegenüberliegenden ersten 23 und zweiten Enden 24 entlang der Achse 5 des Düsenstockeinsatzes 20 mit einer Länge zwischen den Enden 23, 24 erstrecken und der Durchmesser des Düsenstockeinsatzes 20 entlang seiner Länge variiert. Insbesondere ist es denkbar, dass der Düsenstockeinsatz 20 an seinem dem Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 zugewandtem vorderen Ende 23 einen geringeren Querschnitt gegenüber dem dem Gasaustritt 2 abgewandten hinteren Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 zur Bildung eines Ringkanals 16 des Strömungsraums 11 aufweist. Insbesondere kann die Strömungsrichtung des Schutzgasstroms im Ringkanal 16 wenigstens einmal geändert sein, so dass die Strömungsdauer bzw. der Strömungsweg des Schutzgasstromes innerhalb der Gasdüse 1 verlängert ist.
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Der Düsenstockeinsatz 20, die Stromkontaktdüse 17 und der Düsenstock 3 können aus einem leitenden Material aufgebaut sein, insbesondere können sie aus Kupfer oder Kupferlegierungen hergestellt sein. Der Düsenstockeinsatz 20 kann mit der Stromkontaktdüse 17 in Kontakt stehen. Es ist aber auch denkbar, dass der Düsenstockeinsatz 20 und die Stromkontaktdüse 17 sich nach der Montage im Brennerhals 10 berühren können, d.h. unmittelbar aneinandergrenzen. Der Düsenstockeinsatz 20 befindet sich im Düsenstock 3, welcher am Brennerhals 10 befestigt ist.
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Der Brennerhals 10 kann in einem Brenner angeordnet sein, welcher wiederum Teil einer Schweißvorrichtung ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasdüse
- 2
- Gasaustritt
- 3
- Düsenstock
- 4
- erstes Ende Düsenstock
- 5
- zweites Ende Düsenstock
- 6
- Längsachse Düsenstock
- 7
- Hohlraum Düsenstock
- 8
- Gasauslassöffnung Düsenstock
- 9
- Innenwand Düsenstock
- 10
- Brennerhals
- 11
- Strömungsraum
- 12
- Linearspalt
- 13
- Nuten
- 14
- Helixspalt
- 15
- Gewinde
- 16
- Ringkanal
- 17
- Stromkontaktdüse
- 18
- Innenrohr
- 19
- Außenrohr
- 20
- Düsenstockeinsatz
- 21
- innerer Durchgang Düsenstockeinsatz
- 22
- Außenwand Düsenstockeinsatz
- 23
- vorderes Ende Düsenstockeinsatz
- 24
- hinteres Ende Düsenstockeinsatz
- 25
- vorderer Spalt
- 26
- hinterer Spalt
- 27
- äußere Oberfläche Düsenstockeinsatz
- 28
- vorderer Anschlag bzw. Kante des Düsenstocks
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/148656 A1 [0014]
- EP 3112072 A1 [0017]
- US 9950386 B2 [0017]
- US 5313046 [0019]
