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Schweißwerkzeug zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen von Rundnähten im
Inneren von Rohren Die Erfindung betrifft ein (vorzugsweise von Hand versetzbares)
Schweißwerkzeug zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen von Rundnähten im Inneren von
Rohren, bei welchem eine nicht abschmelzende, stabförmige Elektrode an einem sich
in Richtung der Achse des anzuschweißenden Rohres erstreckenden, drehbar gelagerten
Tragrohr so befestigt ist, daß ihre Spitze eine Kreisbewegung ausführt.
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Bei einem bekannten derartigen Schweißwerkzeug ragt die Elektrode
aus einem im Werkzeug drehbar gelagerten und mit Antriebsmitteln gekoppelten Tragrohr
hervor und erstreckt sich innerhalb eines isolierenden rohrförmigen Schutzgehäuses
entlang der Achse der zu verschweißenden Rohre, wobei ihr eines Ende, das die Spitze
bildet, seitlich abgebogen ist. Das Schutzgehäuse besitzt in der Umgebung der Elektrodenspitze
eine seitliche Öffnung. Während des Betriebes des Werkzeuges wird inertes Gas zugeführt.
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Bei diesem Schweißwerkzeug erfolgt die Kühlung der Elektrode und ihres
Schutzgehäuses allein durch das inerte Gas, das zum Schutz des Lichtbogens zuströmt.
Diese Art der Elektrodenkühlung wird jedoch um so schwieriger, je kleiner der Durchmesser
der miteinander zu verschweißenden Rohre ist, da dann die zur Wärmeableitung erforderlichen
Schutzgasmengen durch sehr geringe Querschnitte strömen müssen. Man kann zwar, wie
ein älterer Vorschlag ausweist, durch eine sorgfältige Führung des Schutzgasstromes
ein nach diesem Prinzip arbeitendes Schweißwerkzeug schaffen, das hervorragend geeignet
ist, eine starkwandige Rohrwand (z. B. das Kopfstück eines Wärmeaustauschers), die
mit eng beieinanderstehenden Rohrstutzen von etwa 9,5 mm Innendurchmesser versehen
ist, mit einer großen Anzahl dünnwandiger (z. B. etwa 1,6 mm starker) Rohre von
entsprechend geringem Innendurchmesser zu verschweißen. Insbesondere bei höheren
Schweißströmen, wie sie z. B. beim Verschweißen von etwas stärkerwandigen Rohren
geringen Durchmessers erwünscht sind, zeigte sich jedoch eine gewisseTendenz des
überhitzens der Elektrode und der Schutzröhre. Die Schutzröhre besteht notwendigerweise
aus keramischem Material, damit sie die notwendige elektrische Isolation ergibt
und auch selbst der Hitze des Lichtbogens widerstehen kann. Die keramischen Materialien,
die für den vorgesehenen Zweck erhältlich sind, werden leicht durch die sich wiederholenden
thermischen Schockwirkungen ungünstig beein$ußt.
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Eine weitere Schwierigkeit bei dem gasgekühlten Schweißwerkzeug ergibt
sich aus der Form der Elektrode, die im wesentlichen durch die Notwendigkeit bestimmt
ist, einen Durchtrittsweg für das inerte Kühl- und Schutzgas zu schaffen, der so
lang wie möglich ist. Es hat sich nämlich als schwierig herausgestellt, Werkzeuge
mit genau den gleichen Charakteristiken herzustellen, da die Wolframelektrode gebogen
und ihre Spitze mit genau der gleichen Kontur geschliffen werden muß.
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Mit der Erfindung sollen die beschriebenen Nachteile dadurch vermieden
werden, daß das Tragrohr als Teil eines Kühlkreises ausgebildet ist, über den Kühlflüssigkeit
in die Nähe der Elektrode strömt. Insbesondere ist in das äußere Ende des Tragrohres
eine Elektrodenhalterung in Form eines Metallblocks eingepaßt. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist das Tragrohr koaxial innerhalb einer zur Zentrierung
der Elektrodenhalterung innerhalb des Rohres dienenden Buchse befestigt und elektrisch
und thermisch von der Buchse durch ein keramisches Schutzrohr isoliert, das das
Tragrohr in seiner ganzen Länge eng umschließt und eine seitliche Öffnung für die
Elektrode besitzt, wobei der Durchtritt für inertes Gas von dem Werkzeuggehäuse
zur Öffnung in an sich bekannter Weise durch Abflachungen an dem Tragrohr gebildet
wird, welche so beschaffen sind, daß Zwischenräume zwischen dem Tragrohr und dem
Keramikrohr entstehen. Vorzugsweise verläuft ein an sich bekanntes Tauchrohr innerhalb
der Bohrung des Tragrohres bis zur Nähe der
Elektrodenhälterung.
Das Tragrohr ist an seinem im Halter befindlichen Ende mit einem Verteilungsstück
für Kühlflüssigkeit versehen, welches zwei ringförmige Rillen besitzt, von denen
die eine Rille mit einem Anschluß sowie dem Tauchrohr verbunden ist, während die
andere Rille mit einem zweiten äußeren Anschluß und dem ringförmigen Zwischenraum
um das Tauchrohr herum in Verbindung steht. Das Verteilungsstück ist gegen den Halter
vermittels einer dicht passenden Buchse elektrisch isoliert, und der Schweißstrom
zum Tragrohr und zur Elektrode wird über einen federbelasteten Kontakt zugeführt,
der dem- Verteilungsstück aufliegt. Zwei Dichtungen in Form von O-Ringen sind auf
dem Verteilungsstück angeordnet, zwischen denen sich eine ringförmige Rille befindet,
die über eine Bohrung, welche durch die Buchse und das Gehäuse verläuft, mit der
äußeren Atmosphäre in Verbindung steht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend
in einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen
stellt dar Fig. 1 das Werkzeug im Längsschnitt, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie
11-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-111 in Fig. 1.
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Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Werkzeug ist eine kurze,
stabförmige Wolframelektrode 10 in einer Halterung befestigt, die durch einen zyfindrischen
Kupferblock 12 gebildet wird. Die Befestigung erfolgt vermittels einer Madenschraube
14 in solcher Weise, daß die Elektrode im rechten Winkel zur Achse einer röhrenförmigen
Trageinheit 16 herausragt. Die Spitze der Elektrode befindet sich dabei in dem geeigneten
Abstand von der Oberfläche der zu verschweißenden Rohre. Die röhrenförmige Trageinheit
16, die beispielsweise durch ein Kupferrohr gebildet sein kann, wird von einem keramischen
Schutzrohr 18 umgeben, das die Funktion einer eng anliegenden Muffe besitzt und
, das mit seinem einen Ende in einer Messingbuchse oder einem Zentrierzapfen
20 befestigt ist, dessen äußerer Durchmesser auf den Durchmesser der zu verschweißenden
Rohre abgestimmt ist. Der als Elektrodenhalterung dienende Kupferblock 12 ist in
das äußere Ende des Kupferrohres 16 eingepaßt. Das keramische Schutzrohr 18 umschließt
ebenfalls den Kupferblock 12, und die Elektrode 10 ragt durch eine seitliche Öffnung
22 in dem Rohr 18 hindurch.
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Die Messingbuchse 20 ist in die Stirnwand des ; zvlindrischen Gehäuseteils
26 des mit dem Sammelbc-zugszeichen 24 bezeichneten Werkzeuggehäuses eingeschraubt.
Das Gehäuse 24 besitzt einen verhältnismäßig großen Durchmesser und enthält im Inneren
ein mechanisches Getriebe, bestehend aus. einer Schnecke (die sich in dem vorspringenden
Gehäuseteil 28 [Fig. 2] befindet) und einem Schneckenrad 30; durch welches das Kupferrohr
16 und die Elektrode 10 um die Achse des Rohres 16 herumgedreht werden können, und
zwar vermittels eines äußeren Antriebs; der bei 31 angedeutet ist. In dem Gehäuse
24. sind weiterhin die geeigneten Anschlüsse für die Zufuhr elektrischer Energie,
für die Zufuhr von Argon und für die Zufuhr und Ableitung von Kühlwasser vorgesehen.
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Argon oder ein anderes inertes Gas wird durch das Rohr 32 zugeführt,
welches zugleich auch das Stromzufuhrkabel 34 umschließt. Das Argon wird zum Gebiet
der Schweißelektrode 10 hingeleitet längs der Außenseite des drehbaren Tragrohres
16 und der Elektrodenhalterung 12, wobei diese beiden Teile mit Abflachungen versehen
sind, durch die geeignete Zwischenräume von beispielsweise 1 mm zwischen der Außenwandung
des Rohres 16 und der Innenwandung des keramischen Schutzrohres 18 gebildet werden.
Das Ende des Schutzrohres 18 ist abgedichtet, so daß das Argon nur durch die Öffnung
22 hindurch entweichen kann und somit direkt zum Gebiet des von der Elektrode 10
ausgehenden Lichtbogens geleitet wird.
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Das innere Ende des Tragrohres 16 trägt ein Verteilungsstück 36 aus
Messing, das drehbar innerhalb des Gehäuseteiles 26 gelagert und gegen dieses Gehäuse
durch geeignete Buchsen 38 und 40 aus isolierendem Material, wie beispielsweise
Keramik, Kunststoff oder kunststoffbeschichtetem Fasergewebe isoliert ist. Die Buchsen
38 und 40 sind so geformt, daß eine ringförmige Einlaßöffnung 41 um das Verteilungsstück
36 herum frei bleibt, von der ausgehend vier radiale Öffnungen 43 in das Verteilungsstück
36 eingebohrt sind, um den Gasdurchtritt zu dem Zwischenraum zwischen dem Kupferrohr
16 und dem Verteilungsstück 36 zu erlauben.
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Gegen das Verteilungsstück 36 liegt ein federbelasteter Kupferkontakt
42 an, der innerhalb des Argonzufuhrrohres 32 angeordnet ist, und zwar zusammen
mit dem Stromzufuhrkabel 34. Das Rohr 32 besitzt im Inneren eine Isolierschicht
44.
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Von der Elektrode aus gesehen hinter dem elektrischen Kontakt 42 ist
das Verteilungsstück 36 eng in die Buchse40 eingepaßt. Es wird gegen die Buchse
40 vermittels zweier O-Ringe 46 und 48 abgedichtet. Zwischen- diesen beiden O-Ringen
befindet sich ein ringförmiger Schlitz 50, der mit einer Bohrung 52 in Verbindung
steht, die durch die Buchse 40 und das äußere Gehäuse 26 verläuft. Die Dichtungen
46 und 48 dienen dazu, den Durchtritt von Wasser vom rückwärtigen Teil des Verteilungsstückes
36 zum vorderen Teil des Gehäuses 26 zu verhindern.
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Zum Zuführen und Abführen des Wassers sind zwei ringförmige Rillen
54 und 56 im rückwärtigen Teil des Verteilungsstückes 36 vorgesehen. Die hintere
Rille 56 kommuniziert über radiale Bohrungen 58 mit einem Zentralrohr60 aus Kupfer.
Dieses Zentralrohr verläuft in einer Axialbohrung des Verteilungsstückes 60 und
tritt dann in die Bohrung des Tragrohres 16 ein und verläuft dort bis in die Nähe
des Elektrodenhalterungsblocks 12. Diese hintere Rille 56 kommuniziert ebenfalls
mit einem äußeren Anschlußrohr 62, das am Gehäuse 26 befestigt ist. Die Verbindung
zwischen Rohr 62 und Rillen 56 erfolgt durch eine Bohrung 64 in der Buchse 40. über
das Rohr 62 wird Kühlwasser zugeführt.
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Das Kühlwasser läuft von der Nähe des Blocks 12 aus in dein ringförmigen
Zwischenraum zwischen dem Zentralrohr 60, einerseits und dem Tragrohr 16 bzw. der
Zentralbohrung im Verteilungsstück 36 andererseits wieder zurück. Es gelangt von
dort aus über vier radiale Bohrungen 66 in die vordere ringförmige Rille 54, die
sich im Verteilungsstück 36 befindet. Sodann fließt das Wasser über eine radiale
Bohrung 70 in der Buchse 40 und das Ablaufrohr 68 das im Außengehäuse 26
befestigt ist, ab (Fig. 3). Zwischen den beiden ringförmigen Rillen 54 und 56 befindet
sich eine Dichtung 72 in Form eines O-Ringes.
Die ringförmige Rille
50 zwischen den beiden Dichtungen 46 und 48 ist als zusätzliche Sicherung gegen
den Durchtritt von Wasser zum vorderen Teil des Halters 24 gedacht. In dieser Rille
sammelt sich irgendwelches Wasser, das auf Grund von Fehlern durch die Dichtung
48 hindurchgetreten sein sollte. Dieses Wasser kann nach außen austreten, so daß
ein derartiger Fehler sofort bemerkbar wird. Auf diese Weise wird die Gefahr, daß
das Wasser das zum wirksamen Schutz des Lichtbogens benötigte trockene Gas erreichen
kann, wesentlich vermindert.
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Durch die Wasserkühlung ergibt sich der wesentliche Vorteil, daß das
keramische Schutzrohr 18 nicht mehr wie beim gasgekühlten Werkzeug solch hohen Temperaturen
ausgesetzt ist, durch die das Material leicht zerbrechlich wird. Außerdem kann das
Schutzrohr gut zwischen dem Kupfertragrohr 16 und der Messingbuchse 20 befestigt
und somit sehr gut gegen mechanische und thermische Schocks geschützt werden. Im
übrigen läßt die Wasserkühlung die Verwendung einer kurzen Wolframelektrode 10 zu,
wodurch sich eine wesentliche Einsparung an teurem Material ergibt. Die Elektrode
braucht nur noch etwa 6 mm lang zu sein und kann leicht zum etwa notwendigen Nachschleifen
entfernt werden.
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Das soweit beschriebene Schweißwerkzeug gestattet es, auch bei Rohren
kleinen Durchmessers stets den maximalen Schweißstrom zu benutzen, der unter Berücksichtigung
der jeweils zu verschweißenden Rohre gerade noch angewandt werden kann, ohne daß
eine Beschränkung des Schweißstromes durch die Leistungsfähigkeit des Schweißwerkzeuges
auftritt. Als Beispiel dafür mögen die folgenden Schweißdaten zum Verschweißen von
Rohren von etwa 1.,4 cm Durchmesser aus hochwertigem Stahl angesehen werden:
| Schweißstrom ................. 65 Amp. |
| Leerlaufspannung ............. 70 Volt |
| Arbeitsspannung .............. 12 Volt |
| Argonströmung ............... 21/Min. |
| Kühlwasserströmung ........... 1,11/Min. |
Zweckmäßig wird beim Arbeiten mit dem hier beschriebenen Schweißwerkzeug in an sich
bekannter Weise so verfahren, daß nach dem Justieren des Werkzeuges in den miteinander
ausgefluchteten, zu verschweißenden Rohren und nach dem Einstellen der Schutzgasströmung
der Lichtbogen durch Hochfrequenz gezündet wird. Sobald sich der Lichtbogen zwischen
der Elektrodenspitze und einem Punkt auf der Schweißnaht ausgebildet hat, erfolgt
die Gleichstromzufuhr, und sobald sich daraufhin der gewünschte Einbrand ergeben
hat, erfolgt der Start des Motors zur Rotation der Elektrode und damit die progressive
Bildung der Schweißnaht. Vorzugsweise wird mit der bekannten Hochfrequenzüberlagerung
und mit der bekannten Stromstärkenverminderung am Nahtende gearbeitet, um die Bildung
eines Endkraters zu vermeiden.
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Die Außenseite des Rohres um die Schweißstelle herum wird zweckmäßig
in an sich bekannter Weise unter einer Kunststoffabdeckung mit Schutzgas bespült,
um eine Oxydation an der Schweißstelle zu vermeiden.
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Nach einer Umdrehung mit leichtem Überlappen ist die stumpfe Schweißnaht
vollendet. Die Argonzufuhr wird außen und innerhalb. der Rohre etwa 30 Sekunden
länger aufrechterhalten, bis die Schweißstelle ausreichend abgekühlt und die Gefahr
einer Oxydation gebannt ist.
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Die Arbeitsfolge des Schweißens kann durch Verwendung einer Steuervorrichtung
vollautomatisch gestaltet werden. Das Programm der Steuervorrichtung kann nach Durchführung
von ungefähr zwölf Testschweißungen unter Berücksichtigung der jeweils zu berücksichtigenden
Besonderheiten in Konstruktion und Material eingestellt werden.