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Lichtbogen-Schutzgasschweißbrenner mit allseitig biegbarem Kopf Die
Erfindung betrifft einen Lichtbogen-Schutzgasschweißbrenner für eine unabhängige
und universelle Einstellung des Kopfes zum Handgriff.
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Für die Lösung dieses Problems wurde bereits viel Mühe aufgewandt,
doch war es vor der vorliegenden Erfindung nicht möglich, eine allen Wünschen entsprechende
Lösung zu finden. Offenbart wurde bereits ein biegsames, nicht nachgiebiges metallisches
Rohr aus Kupfer, mit dem Gas und Elektrizität zur Elektrode geleitet wurden und
das mit einer elektrisch isolierenden, wärmebeständigen biegsamen Hülle bedeckt
war. Das Kupferrohr wird aber nach wiederholtem Biegen so hart, daß es bricht. Nach
einem weiteren Vorschlag wird eine Reihe schraubenförmig angeordneter Leitungen
vorgesehen, die als Gas- und Wasserträger sowie als Stromträger dienen. Auch derartige
Brenner hielten einem wiederholten Biegen nicht stand.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Schweißbrenner
zu schaffen, der einen Kopf besitzt, der sich universell im Winkel und seitlich
zum Brennergriff einstellen läßt und einen hohen Grad von Steifigkeit hat, nachdem
er in eine bestimmte Lage gebogen worden ist.
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Ein weiteres Ziel ist, einen Brenner mit einer langen Biegelebensdauer
zu schaffen, wobei die unerwünschten Wirkungen des Hartwerdens durch den Arbeitsgebrauch
weitestgehend vermindert sind.
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Nach der vorliegenden Erfindung weist der Lichtbogen-Schutzgasschweißbrenner
einen Handgriff auf, der ein isoliertes Gehäuse und einen innerhalb desselben angeordneten
Metallkörper, elektrische Anschlüsse zum Zuführen von Schweißstrom zum Metallkörper
sowie Gasanschlüsse zum Zuführen von Schutzgas zu Kanälen aufweist, ferner einen
elektrisch mit dem Metallkörper verbundenen Elektrodenkontakt zur Aufnahme einer
Elektrode und einer diese Elektrode umgebenden Gasdüse, die mit den Gaszuführanschlüssen
in dem Metallkörper in geometrisch verstellbarer Verbindung steht, mit der Kennzeichnung
gemäß der Erfindung, daß der Elektrodenkontakt mit dem Metallkörper durch ein Bündel
biegsamer Drähte vereinigt ist, die von einer biegsamen Hülle umgeben sind und einen
ringförmigen Gaskanal bilden, der den Raum innerhalb der Düse mit den Gaskanälen
im Metallkörper verbindet.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung
ergeben sich aus den Zeichnungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden
Beschreibung. Es zeigt F i g. 1 einen gebrochenen Axialschnitt durch die vorderen,
mittleren und hinteren Teile eines Brenners gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, F i g. 2 einen gebrochenen Axialschnitt in einer anderen Ebene durch
das Ende des Handgriffes des Brenners, F i g. 3 einen ähnlichen Schnitt mit inneren
Teilen im Aufriß, F i g. 4 eine ähnliche Ansicht einer nicht von Wasser gekühlten
abgewandelten Ausführungsform und F i g. 5 einen Aufriß des Brenners, der abweichende
Biegestellungen gestrichelt zeigt.
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Der in F i g. 1 veranschaulichte Brenner hat einen Handgriff 10 mit
einem isolierten Gehäuse und einem metallischen Einsatz 15 innerhalb desselben und
einem Wasserführungsmantel 14. Ein Bündel biegsamer massiver Metalldrähte
12 ist mit ihren hinteren Enden an dem vorderen Ende des metallischen Einsatzes
15 angebracht, vorzugsweise in einer Sackbohrung im Wasserführungsmante114, und
verläuft von dort nach vorn.
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Ein Elektrodenkontaktteil 13 ist am vorderen Ende der Drähte 12 angebracht
die vorzugsweise in einer Sackbohrung im hinteren Ende des Kontaktteils 13 befestigt
sind. Das Drahtbündel ist vorzugsweise in einer nichtleitenden Hülse 34 enthalten.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform weist das Kontaktteil 13 eine Spannbuchse
23, die in einer Spannbuchse 22 geführt ist, zum Festhalten einer Elektrode 24 auf.
Elektrischer Strom wird den Teilen 14, 15 durch die Leitung 20 und Kabelpaßstücke
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zugeführt und weiter durch das Drahtbündel 12 zum Kontaktteil
13.
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Eine Gasleitdüse 19 umgibt die Elektrode 24. Bei der
veranschaulichten Ausführungsform ist die Düse 19 auf der Spannbuchse
22 aufgeschraubt. Eine Isolierhülse 30 umgibt die Drähte
12 und reicht vom Wasserführungsmantel 14 an über die Drähte
12 bis zum Kontaktteil 13. F i g. 2 zeigt, daß Schutzgas in das Rohr
8 eintritt und durch Bohrungen 9 im Einsatz 15 hindurchströmt
und durch vier im rechten Winkel zueinander stehende Bohrungen austritt. Das Gas
gelangt dann weiter durch einen ringförmigen Kanal 33 zwischen der Isolierhülse
30 und der Hülse 34. Vier Schlitze 44 (F i g. 1) im hinteren Teil
des Kontaktteiles 13 leiten das Gas zu vier Bohrungen 45, aus denen es längs
Kanälen 46 und 47 zu radialen Bohrungen 48 zum Austritt in die Düse 19 gelangt.
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Mittels des Schlauches 25 durch das Metallrohr 26
in
die Bohrung 27 im metallischen Einsatz 15 eingeführtes Kühlwasser
gelangt zu einer Kammer 16
zwischen dem Einsatz und dem Wasserführungsmantel,
wo es gemäß der F i g. 3 in im Uhrzeigerdrehsinn sowie im Uhrzeigergegendrehsinn
verlaufende Ströme aufgeteilt wird (Pfeile). Diese Ströme vereinigen sich in der
Kammer 16 und treten durch eine Kammer 28 hindurch in eine Kammer
17 aus. Eine Prallwand 31 lenkt den Fluß von der Mündung
29 weg zu einer kreisförmigen Bahn um die Kammer 17 herum, bevor er
durch die Mündung 29 in die Bohrung 32 und durch einen Wasserschlauch 33
austritt.
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Eines der Erfordernisse für ein gutes Biegemittel ist die Gewährleistung
genügender Steifigkeit und die Verhinderung unerwünschter Bewegung des Brennerkopfes
gegenüber dem Brennergriff, nachdem der Brennerkopf in eine bestimmte Stellung gemäß
der F i g. 5 angeordnet worden ist.
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Eine idealisierte, aber sehr nützliche Analyse der Beziehung zwischen
der Drahtgröße, Anzahl der Drähte und Steifigkeit läßt sich durchführen, indem die
Kraft errechnet wird, die zur Erzeugung einer gemessenen Abbiegung erforderlich
ist, wenn die Drähte als Ausleger angeordnet werden. Experimentell wurde bestimmt,
daß eine annehmbare Brennersteifigkeit für die meisten wirtschaftlichen Zwecke besteht,
wenn, nachdem eine Kraft von etwa 0,45 kg unter rechten Winkeln auf das Ende der
biegsamen Drähte gerichtet wird, eine Abbiegung von 0,8 mm hervorgerufen wird.
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Geglühtes Kupfer ist das bevorzugte Material für die in F i g. 1 veranschaulichte
Ausführungsform, da es die gewünschte elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit
und Biegungslebensdauer besitzt.
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Für wassergekühlte Schweißbrenner ist die hohe thermische Leitfähigkeit
zum Ableiten der Hitze von den biegsamen Drähten zu dem die Kühlkammern durchlaufenden
Kühlwasser vorteilhaft. Bei luftgekühlten Brennern ist es häufig vorteilhaft, daß
die biegsamen Drähte (Stromträger) aus einem thermisch schlecht wärmeleitenden Material,
wie z. B. Stahl, bestehen, da dann von dem bogenbildenden Ende des Brenners zur
Handhabe weniger Wärme abgeleitet wird.
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Beim Auswählen der praktischsten und wirksamsten Durchmesser und Drehzahlen
für die biegsamen Mittel wurde folgendes Verfahren benutzt: Da eine praktische Biegsamkeitslebensdauer
gesucht wurde, fand man, daß ein Brenner, der mindestens 300 Biegungen aushält,
den meisten technischen und wirtschaftlichen Bedürfnissen genügt. In den meisten
Fällen wird der Schweißbrenner, wie er in der technischen Praxis benutzt wird, in
eine Stellung gebogen, und es ist dann üblicherweise nicht notwendig, häufig oder
auch wesentlich die Stellung des Kopfes zu ändern. Als Ergebnis von Prüfungen fand
man, daß es notwendig sein würde, Kupferdraht mit einem Durchmesser von etwa 1,6
mm oder weniger zu benutzen, um die gewünschte Biegungslebensdauer zu erzielen.
Gefunden wurde ferner, daß siebzehn Stränge von 1,6 mm starkem Draht, die eine Gesamtfläche
von 31 mm2 (61200 Zirkularmil) ergeben, ausreichend steif sind. Ein blankes Strangkupferkabel
in Luft mit 31 mm2 hat ein Stromführvermögen von etwa 170 Ampere. Mit der hochwirksamen
Wasserkühleinrichtung nach der vorliegenden Erfindung, zusammen mit der Kühlwirkung
des Schutzgases, wenn es über die Drähte streicht, konnte ermittelt und festgelegt
werden, daß die 31 mm2 einen Betrieb bei Werten bis herauf zu 225 Ampere ohne Überhitzung
gestatten.
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Infolge von geometrischen Betrachtungen sind neunzehn Drähte für die
Zwecke der Strangbildung, z. B. Verlitzung oder Verseilung, wirksamer als siebzehn
Drähte. Deshalb werden, um etwa die gleiche Gesamtfläche und annähernd dieselbe
Steifigkeit wie mit den siebzehn flexiblen Strangmitteln zu gewährleisten, vorzugsweise
neunzehn Stränge aus 1,4 mm starkem Kupferdraht gewählt, um ein ausreichendes Stromführvermögen
zu schaffen. Geringe Abmessungen und geringes Gewicht machen den Brenner vorteilhaft
verwendbar. Die neunzehn Stränge aus 1,4 mm dickem Draht ergeben einen Gesamtdurchmesser
der verlitzten Drähte von nur 0,7 cm. Dieser Durchmesser von 0,7 cm ist so klein,
daß der Außendurchmesser einer die biegsamen Drähte umschließenden Isolierhülse
kleiner als der Außendurchmesser einer Isolierhülse über den vorderen Körper ist.
Mit anderen Worten erfordert der Durchmesser von 0,7 cm keine Steigerung der Größe
des Brenners, die die Zugänglichkeit zum Schweißen an beschränkten Örtlichkeiten
beeinträchtigt.
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An einem Bündel gerader Kupferdrähte durchgeführte Versuche zeigten
eine leichte Steigerung der Biegsamkeitslebensdauer, verglichen mit der gleichen
Behandlung einzelner Drähte. Dieser Unterschied ist augenscheinlich dem vergrößerten
durchschnittlichen Krümmungsradius des Drahtbündels zu verdanken. Zusätzliche Versuche
an Gruppen von Drähten mit einem schwachen Schlag zeigten eine weitere Steigerung
der Biegelebensdauer, augenscheinlich dank etwas verminderter Spannungen in den
Drähten. Die Drähte, die einen schwachen Schlag aufwiesen, besaßen außerdem als
zusätzlichen Vorteil die Eigenschaft, daß sie sich, verglichen mit dem Bündel aus
geraden Drähten, nach wiederholtem Biegen nicht ausfächerten. Die Bündelanordnung
von Drähten mit einem schwachen Schlag (weniger als 45°) wurde daher für die in
F i g. 1 veranschaulichte bevorzugte Ausführungsform gewählt.
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Äquivalente Steifigkeit und gesteigerte Biegelebensdauer ließen sich
außerdem durch eine vergrößerte Anzahl kleinerer Drähte erzielen. Die Gesamtfläche
würde indessen wesentlich zunehmen,
wenn die kleineren Drähte benutzt
werden. Dies führt wiederum notwendigerweise zu einem größeren und schwereren Brenner,
wodurch dessen Brauchbarkeit erheblich herabgesetzt wird. Außerdem führt es zu erhöhten
Kosten wegen der zusätzlichen Materialmengen und der höheren Kosten pro Gewichtseinheit
der kleineren Drähte. Gleichwohl würden diese Nachteile für manche Anwendungen,
wie z. B. mechanisierte Arbeitsgänge, durch die erhöhte Biegungslebensdauer mehr
als aufgewogen werden, wenn die größere Anzahl kleinerer Drähte angewendet wird.
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Bei Auswahl der Drahtgröße und -anzahl für einen nicht mit Wasser
gekühlten Brenner gemäß der Fig. 4 kommen im wesentlichen dieselben Erwägungen in
Betracht, wie sie für den wassergekühlten Brenner angestellt werden. Das Fehlen
einer Wasserkühlung führt jedoch zu einem Brenner, der bei derselben Gesamtfläche
bei niedrigeren Strömen arbeitet.
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Das Stromführungsvermögen der biegsamen Drähte wäre annähernd dasselbe
wie für blanke verlitzte Kabel in Luft. Einige Kühlung der biegsamen Drähte fände
dank des über die Drähte fließenden und hierdurch einen Teil der zerstreuten Wärme
absorbierenden Schutzgases statt.
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Ein Schlüsselfaktor betreffend die erfolgreiche Auslegung des wassergekühlten
Brenners ist die Anordnung der Wasserkühlkammern an oder nahe der in F i g. 1 veranschaulichten
Handhabe.
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Bei der Einrichtung nach der Erfindung fließt das Kühlmittel nur das
vordere Ende der Handhabe herauf, kehrt dann zurück und verläßt den Brenner. Dies
gestattet einen kleineren Querschnitt des Halses und Kopfes des Schweißbrenners
als gewöhnlich. Im wesentlichen wird das Wasser, wenn es in den Brenner eintritt,
in eine innere Kammer vorlaufen, worauf der Strom in zwei Teile unterteilt wird.
Die Ströme treffen sich dann an einer Stelle 180° von ihrer Eintrittsstelle entfernt
und vereinigen sich. Der Strom wird alsdann in eine äußere Kammer eingeleitet, wo
eine zweckentsprechend angeordnete Prallwand einen unmittelbaren Fluß aus dem Einlaß
der Kammer zum Auslaß verhindert, um eine angemessene Kühlung des ganzen Umfangs
der Kammer zu gewährleisten. Nachdem der Strom aus der äußeren Kammer ausgetreten
ist, wird er aus dem Schweißbrenner herausgeleitet.