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Lichtbogen-Schutzgasschweißbrenner mit einem porösen Düseneinsatz
Die Erfindung- betrifft einen Lichtbogenschweißbrenner mit einem Schutzgaskanal,
in dem sich ein gasdurchlässiger Körper aus porösem Material befindet, den das Schutzgas
feinverteilt durchströmt, wobei sich die Einzelströme anschließend zu einem Gesamtstrom
verringerter Turbulenz vereinigen.
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Bisher wurden für die Abschirmung der Schweißstelle lange Düsen empfohlen,
die hohe Verhältniswerte von Düsenlänge zu wirksamem Düsendurchmesser haben. Diese
sind aber infolge ihrer übermäßigen Länge, Sperrigkeit und ihres Gewichtes unzweckmäßig.
Die heutige Forderung ist dagegen stark auf Brenner sehr kurzer Längen, geringer
Sperrigkeit und niedrigen Gewichts abgestellt, um größte Zugänglichkeit zu engen
Schweißstellen zu gestatten, insbesondere beim Handschweißen. Diese kurzen Brenner
müssen sehr nahe der Schweiße gehalten werden, um eine annehmbare Abschirmung zu
erzielen.
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Um einen weitreichenden Schutzgasstrahl zu erhalten, wurde außerdem
vorgeschlagen, in den Gaskanal eine Platte mit in weitem Abstand befindlichen Bohrlöchern
einzusetzen, doch zeigt sich auch hier kein Fortschritt.
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Man hat auch schon das Schutzgas durch poröse Wände an die Schweißstelle
gedrückt, wobei jedoch nur ein fast ruhendes Gaspolster in einem besonderen Raum
mit Begrenzungswänden, der an engen Schweißstellen nicht verwendbar war, erreicht
wurde.
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Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Behebung dieser
Nachteile bisheriger Brenner, indem Mittel geschaffen werden, vermöge deren Lichtbogenschweißungen
mit wirksamer Gasabschirmung durchgeführt werden können, während so wenig Gas wie
möglich verbraucht und eine möglichst kurze Düse benutzt wird.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Lichtbogenschweißbrenner
der eingangs geschilderten Art der gasdurchlässige Körper am Austrittsrand des Schutzgaskanals
gasdicht befestigt ist und aus einer oder mehreren Schichten besteht, deren gegenseitiger
Abstand etwa das Fünffache des mittleren Porendurchmessers, höchstens jedoch 0,5
mm beträgt, wobei die Porendurchmesser höchstens 0,25 mm und die Mittenabstände
der Poren höchstens das Zehnfache der Porendurchmesser bis maximal 1 mm betragen.
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Der gasdurchlässige Körper kann vorzugsweise aus porösem Metall, keramischem
Material oder gefrittetem Glas bestehen. Der gasdurchlässige Körper kann in besonders
zweckmäßiger Weise als flache oder nach außen konvexe Ringscheibe zwischen der Gasdüse
und der Elektrodenhalterung angeordnet sein. Vorzugsweise schließt sich unmittelbar
an den gasdurchlässigen Körper, in Strömungsrichtung gesehen, ein Schutzrohr an,
um den Gasstrom nach seinem Durchgang durch den gasdurchlässigen Körper vor atmosphärischen
Strömungen zu schützen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus. der folgenden
Beschreibung. Es zeigt F i g . 1 a einen teilweisen Querschnitt eines Licht-Bogenschweißbrenners
gemäß der Erfindung, F i g. 1 b eine entsprechendeAnsicht eines bekannten Brenners,
F i g. 2a eine perspektivische Ansicht eines Strömungsbildes des Gases, das den
bekannten Brenner gemäß der F i g. 1 b verläßt, F i g. 2b eine Ansicht eines Strömungsbildes
des Gases, das den Brenner nach der F i g. 1 a gemäß der Erfindung verläßt, F i
g. 3 eine graphische Darstellung der Längen kohärenter Strömung in Abhängigkeit
von der Strömungsgeschwindigkeit von Argon zum Vergleich der Erfindung mit dem Stande
der Technik, F i g. 4 eine graphische Darstellung des Abschirmungsbereichs in Abhängigkeit
vom Abstand zwischen Düse und Werkstück, die die Erfindung mit dem Stande der Technik
vergleicht,
F i g. 5 a eine Ansicht, teilweise im Querschnitt und
teilweise im Seitenaufriß, die eine Gaslinse im Ende einer Gasförderleitung mit
axialer Richtwirkung zeigt, F i g. 5b eine gleiche Ansicht einer Gaslinse für axiale
und radiale Richtwirkung, F i g. 5c eine gleiche Ansicht eines divergierenden Stromes,
der mit einer konvexen Gaslinse (poröser Körper) erzielt wurde, F i g. 6a eine Düse
mit einer Gaslinse für rechteckige Geschwindigkeitsverteilung in einem geraden Gasstrahl;
F i g. 6b eine Düse mit einer Gaslinse für parabolische Geschwindigkeitsverteilung
in einem geraden Gasstrahl, F i g. 6c eine Düse mit einer Gaslinse für parabolische
Geschwindigkeitsverteilung in einem divergierenden Strom, F i g. 7a eine Teilansicht,
hauptsächlich im Querschnitt, eines mit einer flachen Gaslinse versehenen Brenners.
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F i g. 7b eine gleiche Ansicht eines mit einer konvexen Gaslinse versehenen
Brenners, F i g. 8 eine Teilansicht, hauptsächlich im Seitenaufriß, eines Gasstrombildes
von einer konvexen Gaslinse, F i g. 9 eine Teilansicht, teilweise im Querschnitt,
eines die Erfindung veranschaulichenden Brenners. Der in F i g. 1 b veranschulichte
Brenner 10 ist für die bekannten inertgasabgeschirmten Wolframlichtbogenschweißbrenner
insofern typisch, als die Gasöffnungen aus vier Löchern 12 von 2,4 mm Durchmesser
bestehen, die in ein Kontaktführungsrohr 14 eingebohrt sind. Der Brenner
ist mit einer Düse 16 von 16 mm lichtem Durchmesser und mit einer 3,2 mm dicken
Wolframelektrode 18 versehen. Die gesamte Querschnittsfläche A der Gasmündungen
12 beträgt 18 mm-. Bei einem Fluß Q von 0,28 m3/h (bei 20°C und 1 atm) ist
die durchschnittliche Geschwindigkeit V des aus den Gasmündungen austretenden Gases:
Die Querschnittsfläche der Düse 20 an einer Stelle eben unterhalb des Kontaktführungsrohres
14 hat jedoch eine Größe von 3,3 cm2. Bei inkompressiblem Fluß dürfte die durchschnittliche
Gasgeschwindigkeit an dieser Stelle nicht größer als 0,23 m/sec sein, wenn die Düse
voll mit 0,28 m3/h betrieben wird. Tatsächlich tritt aber das Gas in die Düse 20
mit einer Geschwindigkeit ein, die 18,2mal höher ist. Die hohe kinetische Energie
des kleinen Stroms, 1/2 M Vag muß also auf den kleineren Wert des großen
Stromes 1/2 M Vv2 vermindert werden.
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Wird der oben behandelte Fall als Beispiel genommen, wo Argongas durch
die Löcher 12 mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 4,3 m/sec
in eine Düse 16 geleitet wird, die eine Eintrittsgeschwindigkeit von nur 0,23 m/sec
erfordert, ist die überschüssige kinetische Energie des Argons (pro Kubikmeter)
Dies entspricht (18,2)2 = 330mal der kinetischen Energie, die in der Düse erforderlich
ist. Diese überschüssige Energie muß durch Reibung innerhalb des Gases selbst und
zwischen dem Gas und den Düsenwandungsoberflächen vernichtet werden. Im allgemeinen
sind 2,5 bis 20 cm Düsenlänge lediglich für die Vernichtung einer solchen Überschußenergie
erforderlich, selbst wenn eine Prallwand verwendet wird.
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Der bekannte Brenner wurde abgeändert, indem zusätzliche Gasmündungen
12 desselben Durchmessers in das Kontaktführungsrohr 14 gebohrt wurden, um
die Geschwindigkeit des in die Düse 16 eintretenden Gases herabzusetzen. Eine weitere
Annäherung an den erfindungsgemäßen Brenner war, einen porösen Körper
22 (F i g. 1 a) in den Brenner 24 in einer gasdichten Einbettung einzusetzen,
die eine keramische Buchse 25 sowie aus Gummi bestehende Dichtungsscheiben 26 und
27 aufweist. Für diese letztere Abwandlung ist die Stelle des Gaseintritts in die
Düse 16 die ganze stromabwärtige Fläche des porösen Körpers 22.
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Gasstrombilder, die mit den so abgewandelten Brennern erzielt wurden,
wurden mit demjenigen des bisherigen Normalbrenners verglichen. Die Strombilder
wurden sichtbar gemacht, indem zuerst Öldampf dem Gas zugesetzt und der austretende
Gasstrom durch einen starken Lichtstrahl geleitet wurde, was zu einer großen Verbesserung
gegenüber deri mit dem sogenannten Schlierenapparat erzielten Ergebnissen führte.
Für jede Brenneranlage wurden Messungen der kohärenten Strahllänge ausgeführt, d.
h. des Abstands, über den sich das Gas als »kompakter« Strom in den Raum hinein
ausstoßen läßt, ohne daß es sich mit der Luft mischt.
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Die Tabelle zeigt die während solcher Versuche gewonnenen Ergebnisse
bei einer Argonflußgeschwindigkeit von 0,57 m3/h durch einen Brenner hindurch, der
mit der Düse gemäß der F i g. 1b versehen war, die die früher erwähnten Abmessungen
hatte und eine 3,2 mm dicke Elektrode aufwies.
| Effekt der verminderten Gasgeschwindigkeit |
| bei Eintritt in eine Düse |
| Gaszufuhrsystem Fläche oder |
| Geschwindig- Kohärente |
| Fläche keits- Strahllängez) |
| Typ cm2 verhältnisl) |
| Vier Löcher 0,18 18,2 1,3 |
| Acht Löcher 0,36 9,1 1,6 |
| Sechzehn Löcher 0,72 4,5 1,9 |
| Poröser Einsatz3) 1,00 3,2 7,6 |
| 1) Bezogen auf eine Düsenquerschnittsfiäche von 3,28 cm2 an |
| einer Stelle eben unterhalb des Kontaktführungsrohres. |
| z) Erzielt mit 0,57 m3/h Argon durch die Düse gemäß der |
| F i g. 1b hindurch. |
| 3) Unter der Annahme, daß die widerstandsfreie stromabwärts |
| weisende Fläche des Einsatzes 2,86 cm2 groß ist und 35 °/o |
| offene Fläche enthält. |
Die Tabelle zeigt, daß mit jeder Verminderung der Geschwindigkeit des eintretenden
Gases die kohärente Strahllänge vergrößert ist. Während die normale
4-Loch-Konstruktion
(Fläche oder Geschwindigkeitsverhältnis 18,2.) eine kohärente Strahllänge von nur
1,3 cm lieferte, ergab die 16-Loch-Konstruktion (Verhältnis 4,5) eine Strahllänge
von 1,9 cm, mithin anderthalbmal so groß wie diejenige des normalen bisherigen Brenners.
Mit dem porösen Einsatz (Verhältnis 3,2) wurde eine kohärente Strahllänge von 7,6
cm erzielt, also sechsmal diejenige des normalen Brenners. Der Verlauf in dieser
Tabelle zeigt, daß beträchtliche Steigerungen der Länge der Kohärentströmung erzielt
werden können, wenn das Geschwindigkeitsverhältnis des Eintrittsgases auf 5 oder
weniger vermindert wird. Die Steigerungen waren jedoch überraschend groß, wenn der
poröse Körper benutzt wurde. Es scheint, daß zu der verminderten Eintrittsgeschwindigkeit
in die Düse der poröse Körper außerdem eine gewisse zusätzliche Wirkung auf das
Gas ausübte, um eine Kohärentströmung zu fördern.
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Die F i g. 2a und 2b sind Skizzen auf Grund von Fotografien typischer
alter und neuer Gasstrombilder in annähernd natürlichem Maßstab. Zu bemerken ist,
daß der kohärente Strom 28 des den Brenner 24 (F i g. 2b) verlassenden Gases beträchtlich
länger als der den Brenner 10 verlassende Gasstrom 29 ist (F i g. 2a).
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Zusätzliche Messungen der kohärenten Strahllänge für verschiedene
normale und abgewandelte Brennersysteme wurden mit Argonflüssen im Bereich von 0,28
bis 1,70 m3/h durchgeführt. Die Ergebnisse solcher Versuche sind den Kennlinien
der F i g. 3 zu entnehmen. Aus diesen Kurven geht hervor, daß die Brenner mit herabgesetzten
Gas-Austrittsgeschwindigkeiten über den vollen Bereich überlegen bleiben, und daß
die stabilen Strahllängen für alle Brenner mit gesteigerten Strömungsgeschwindigkeiten
kleiner werden. Gleiche Verbesserungen treten auf, wenn andere Gase als Argon verwendet
werden, wie z. B. Hs, N2, 0z und C02.
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Schweißversuche mit nicht abschmelzender Elektrode unter Inertgas
wurden mit den verschiedenen Brennersystemen durchgeführt. Auftragsschweißungen
wurden auf einen 1,6 mm dicken, kaltgewalzten Stahl bei 150 A Gleichstrom, negativer
Elektrode, 10 V, 63,5 cm/min und einem Argonfluß von 0,71 m3/h durchgeführt. Der
erste Schweißensatz wurde so durchgeführt, daß die Brennerdüse 1,6 cm oberhalb der
Oberfläche der Schweiße war. Der zweite Satz wurde so durchgeführt, daß die Brennerdüse
2,2 cm oberhalb der Werkstückoberfläche war. Die in jedem Falle erzielte Schweißeabschirmung
kann durch die Länge einer glänzenden, unentfärbten Oberfläche am Ende der Schweiße
festgestellt werden.
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Bei einem Abstand von 1,6 cm der Düse vom Werkstück lieferte der bisherige
Normalbrenner einen sehr geringen Schutz. Wurde die Düse zusätzlich 3,2 mm angehoben,
befand sich schon Luft in Berührung mit der Elektrodenspitze und wurde in die Schweiße
hineingepumpt, so daß an der Oberfläche rauhe, sehr verunreinigte Schweißen erzeugt
wurden. Der 16-Loch-Brenner lieferte bei 1,6 cm Abstand eine gute Abschirmung, während
der Brenner mit dem porösen Körper einen ausgezeichneten Schutz über eine breite
Fläche lieferte, die das Schweißbad und einen großen Teil der wärmebeeinflußten
Zone einschloß.
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Wurde der Düsenabstand auf 2,2 cm vergrößert, schützte der 16-Loch-Brenner
nicht mehr ausreichend, während der pörose Körper eine gute Abschirmung bei Abständen
von mehr als 3,2 cm zeigte, doch wurde die Lichtbogenstabilität infolge des zu großen
Abstands der Elektrode problematisch. Diese Schwierigkeit kann behoben werden, indem
das Kontaktführungsrohr vorgezogen wird.
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F i g. 4 stellt den Abschirmungsbereich bei verschiedenen Düsenabständen
graphisch dar, der unter diesen Versuchsbedingungen erzielt wurde. Man sieht, daß
die Verminderung der Gasgeschwindigkeiten bei Eintritt in eine kurze Düse zu zwei
wichtigen Verbesserungen führt: 1. Stark vergrößerter Abstand zwischen Düse und
Werkstück, bei dem sich noch eine gute Abschirmung erzielen läßt.
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z. Bemerkenswert vergrößerter Abschirmungsbereich für alle Abstände.
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Ein wichtiges Nebenergebnis der Anwendung vergrößerter Gasmündungsflächen
ist die Beseitigung eines zentralen Gasstrahles. Bei normalen Brennern der in F
i g. 1 b veranschaulichten Art ist ein Loch von 3,3 mm Durchmesser im Kontaktführungsrohr
vorgesehen, durch das alle Elektroden von 3,2 mm und kleineren Durchmessern hindurchgeführt
werden. Bei Elektroden mit 2,4 mm oder kleineren Durchmessern wird das Gas mit hoher
Geschwindigkeit durch den ringförmigen freien Raum strahlartig herausgetrieben,
was zu einer ernsthaften Beeinträchtigung und häufig zur vollen Zerstörung der Abschirmung
der Schweißstelle führt. Während der Versuche wurde gefunden, daß die Anwendung
des 16-Loch-Brenners dieses Strahlproblem unerwartet beseitigte, und zwar ohne Rücksicht
auf die Größe der verwendeten Elektrode. Die vergrößerte Fläche der Gasmündungen
schuf einen Pfad geringeren Widerstandes, so daß wenig oder kein Gas durch das Elektrodenloch
austrat.
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Im Gegensatz hierzu stellte bei porösen Einsätzen im Brenner der Gaspfad
durch den Einsatz hindurch im allgemeinen einen verhältnismäßig hohen Widerstand
dar. Als Folge hiervon verstärkte sich die Nebenströmung an der Elektrodendurchführung.
Außerdem konnte eine Leckströmung an jeder Stelle auftreten, wo das Gas hinter den
Einsatz sickerte. Es wurde gefunden, daß es zur erfolgreichen Anwendung poröser
Gasdurchlässe notwendig ist, diese leckdicht einzubetten (F i g. l a), den
freien Raum um die Elektrode zu vermindern und sicherzustellen, daß es keine Risse,
Sprünge oder verhältnismäßig große Hohlräume im porösen Körper gibt, durch die hindurch
eine Leckströmung auftreten könnte. Beim Schweißen mit abschmelzender Elektrode
mit im Brenner angeordnetem porösem Körper war es ebenfalls notwendig, eine Nebenströmung
durch die Kontaktspitze hindurch zu verhindern. Rückwärts betrachtet war vielleicht
einer der Häuptgründe, weshalb frühere Versuche mit porösen Körpern nicht besonders
erfolgreich waren, daß das Leckströmungsproblem nicht erkannt gewesen war.
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Viele Versuche wurden gemäß der Erfindung durchgeführt, während deren
die Bilder der aus den Oberflächen von porösen Körpern austretenden Gase geprüft
wurden. Diese Versuche wurden ursprünglich durchgeführt, um den Grad zu bestimmen,
bis zu dem die Turbulenz in einem Gasstrom vermindert werden könnte, bevor das Gas
in eine Düse austritt. Bei diesen Versuchen wurden auch Filtermaterialien so
hoher
Dichte und so ultrafeiner Porosität verwendet, daß sie für gewöhnlich nicht für
die Verwendung in einem Lichtbogenschweißbrenner in Erwägung gezogen worden wären,
da man angenommen hätte, daß sie nicht genügend permeabel seien und dem Gasfluß
zuviel Widerstand entgegensetzen würden. Diese Materialien wurden in einer Versuchsvorrichtung
sorgfältig angeordnet, um eine Störung infolge von Leckströmungen zu vermeiden.
Unerwarteterweise wurde gefunden, daß es möglich war, einen Grad der Gasflußkontrolle
weit jenseits der reinen Abmilderung der Turbulenz zu erzielen. Es war außerdem
möglich, eine vollständige Kontrolle über das Flußbild des aus einer besonderen
Sorte der porösen Körper austretenden Gases zu bewirken, und zwar ohne Rücksicht
auf den Grad der Turbulenz des dem porösen Körper zugeführten Gases. Kohärenzströmungen
über sehr lange Strecken ließen sich mit den porösen Körpern allein erzielen, wodurch
also die Notwendigkeit für jede weitere Gasführung entfiel.
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Sodann wurde gefunden, daß, wenn der poröse Körper richtig ausgebildet
war, Gas aus dem Körper rechtwinklig zur Körperoberfläche lag. Diese Erscheinung
ist unabhängig von der Richtung oder dem Zustand, in dem sich das Gas befand, das
in den Körper hineinfloß. Die F i g. 5 a, 5 b und 5 c zeigen Mittel zur Steuerung
der Richtungen von Gasströmen bei verschiedenen Formen poröser Körper. Die F i g.
5a und 5b zeigen Gasströme 30, 32 und 34, die mit einer zylindrischen Linse 36 aus
dicht gepacktem Filzfaserstoff erzielt wurden. Werden sie fluchtend mit dem Ende
der Gaszufuhrleitung 31 angeordnet, wird ein axialer Strom erzielt. Steht die Linse
teilweise vor, werden sowohl axiale als auch radiale Gasströme 32 bzw. 34 gleichzeitig
erzielt. Schließlich liefert (F i g. 5 c) eine konvexe Linse 38 aus Filz einen divergierenden
Strom 40. Überraschenderweise bleibt dieser Strom eine merkliche Strecke über die
Austrittsfläche der Linse hinaus kohärent.
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Der Einfluß, den ein poröser Körper auf den Gasstrom ausübt, steht
mehr mit der Feinheit der Hohlräume als mit der Dicke des Körpers in Beziehung.
Beispielsweise ist es möglich, eine einzelne Lage aus feinmaschigem Drahtfiltertuch
an Stelle eines verhältnismäßig dicken Stücks aus dichtgepackten Fasern oder porösen
Medien aus Metallkeramik oder gefrittetem Glas zu verwenden. Ein 60-Maschen-Kupferdrahttuch
(0,25 mm Quadratöffnung, 0,19 mm Drahtdurchmesser) übte eine leichte Richtwirkung
aus, ein 200-Maschen-Kupferdrahttuch (0,074 mm Quadratöffnung, 0,05 mm Drahtdurchmesser)
dagegen eine erheblich stärkere. Je kleiner die Öffnungen sind, desto größer ist
die Richtwirkung auf das den porösen Körper durchfließende Gas.
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Es können auch mehrere Lagen von Drahtfiltern vereinigt werden, vorzugsweise
eine kurze Strecke voneinander entfernt, mit dem Ergebnis, daß eine größere Richtwirkung
erzielt werden kann. Es lassen sich Drahttücher mit größeren Öffnungen verwenden,
wenn sie vielschichtig gestapelt werden. Beispielsweise liefern drei Lagen eines
60-Maschen-Drahttuches mit einem Abstand von 3,2 mm Ergebnisse, die denjenigen einer
einzelnen Lage aus 200-Maschen-Drahttuch äquivalent sind. Im Falle poröser metallischer
Feststoffe, faseriger Packungen u. dgl. in Dicken von 1,6 und 3,2 mm zeigten die
Versuche, daß mittlere Porenabmessungen der Größenordnung von 0,102 mm oder weniger
für gute Ergebnisse erforderlich sind. Das für die Schweißversuche gemäß der Tabelle
verwendete poröse Material war 1,6 mm dick, mit einem mittleren Porendurchmesser
von 0,13 mm.
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Es wurde ferner gefunden, daß die Draht-Filtertücher eine gleichförmige
Verteilung sowohl in der Größe als auch in der Richtung der Gasgeschwindigkeit in
erster Linie deshalb lieferten, weil sie eine gleichförmige Porengröße und einen
engen Abstand der Poren aufwiesen. Die Faser- und Sintermetalleinsätze lieferten
indessen oft eine unregelmäßige Verteilung der Geschwindigkeiten, es sei denn, daß
während der Herstellung besondere Sorgfalt getroffen wurde, um eine gleichmäßige
Verteilung der Gaspermeabilität zu gewährleisten. An einigen Stellen dieser Einsätze
war die Packung zu dicht mit Bezug auf andere Stellen, wo sie zu lose war. Die Folge
war eine unregelmäßige Verteilung von Zonen langsamer, mittlerer und schneller Strömungen,
die die Kohärenz störte.
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F i g. 6a, 6b und 6c veranschaulichen Möglichkeiten der Beeinflussung
der Verteilung der Gasgeschwindigkeiten durch Änderung der Dicke und demzufolge
der Gaspermeabilität der Linsen. Wie aus F i g. 6 a ersichtlich ist, erzeugt eine
flache, scheibenförmige Linse 42 im Auslaß einer zylindrischen Gaskammer
44 einen kohärenten Gasstrom 46 mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit
über die ganze Querschnittsfläche, wie dies durch die Vektoren 47 angedeutet wird.
Nach F i g. 6b erzeugt die Linse 48 mit einer flachen stromabwärtigen Fläche und
einer konkaven stromaufwärtigen Fläche 49 einen kohärenten Strom 50 mit einer parabolischen
Geschwindigkeitsverteilung 51. Die Konkav-Konvex-Linse 52 (F i g. 6c) erzeugt einen
divergenten kohärenten Strom 53 mit einer parabolischen Geschwindigkeitsverteilung
54. Ströme mit einem parabolischen Geschwindigkeitsprofil sind stabiler und erzeugen
längere kohärente Strömungsstrecken, als Ströme mit einem flachen Geschwindigkeitsprofil.
Solche Ströme werden oft zu bevorzugen sein, um eine größte Kontrolle der atmosphärischen
Zusammensetzung zu gewährleisten, insbesondere an Stellen, wo die Strömung auf eine
feste Oberfläche aufprallt.
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Werden Gaslinsen verwendet, können kohärente Ströme ohne Rücksicht
auf die Reynoldsschen Zahlen oder den L/De-Wert erzeugt werden, die bisher häufig
als mathematische Bestimmungen für die Strömungsbedingungen herangezogen wurden.
Wie gefunden wurde, gewährleisten derartige Zahlen keine laminare oder turbulenzfreie
Strömung, sondern zeigen allenfalls die Möglichkeit einer laminaren Strömung an.
In Laboratoriumsversuchen war es möglich, kohärente Strahllängen von 7,6 bis 15,2
cm unter Bedingungen zu erzielen, die Reynoldsschen Zahlen der Größenordnung von
5000 und LIDe-Verhältniswerten entsprechen würden, die gleich Null sind. Derzeit
bestehen starke Anzeichen dafür, daß kohärente Strömungen über merkliche Strecken
bei Reynoldsschen Zahlen mindestens bis zu 15 000 mit Hilfe von porösen Körpern
erzielt werden können.
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Es sei indessen bemerkt, daß die Berechnung mit Reynoldsschen Zahlen
nur für einen Gasstromquerschnitt innerhalb von Leitungswandlungen gilt. Demgemäß
sind, wenn poröse Körper oder Gaslinsen ohne Leitdüse, d. h. LID, - 0, gebraucht
werden, Reynoldssche Zahlen nicht anwendbar.
Da die porösen Körper
auf Gas weitgehend ebenso wirken, wie eine Glaslinse auf einen Lichtstrahl, ist
vorliegend der analoge Begriff' »Gaslinse« eingeführt worden.
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Die F i g. 7a zeigt einen Lichtbogenbrenner mit flacher Gaslinse 56,
während F i g. 7b einen Lichtbogenbrenner mit einer parabolischen Linse 58 veranschaulicht,
wobei jede gleichbleibende Dicke hat. Die flache Linse 56 führte zu Ergebnissen,
die mit denjenigen vergleichbar sind, die erzielt wurden, wenn die Linsen innerhalb
und stromaufwärts der Düse 16 angeordnet waren (F i g. l a).
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Die F i g. 8 beruht auf einer Photographie eines divergierenden Gasstromes
59, der mit der parabolischen Linse 58 erzielt wurde. Eine solche Linse vergrößert
erheblich den Schutzbereich am Körper B.
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Bei dem Brenner nach F i g. 9 ist die Gaslinse 60 an einer vorzugsweise
nicht porösen Hülse 62 angebracht, die auf den Hülsenkörper 64 aufgeschraubt ist,
bis eine dichte Berührung mit den Gasabdichtungen 66, 68 hergestellt ist, um eine
Leckströmung zu verhindern. Außerdem sind einzelne, eng um die Elektrode 72 passende
Hülsen 70 für jede Elektrodengröße vorgesehen, um Leckströmungen durch das Loch
74 zwischen Hülsenkörper und Elektrode zu verhindern. Eine solche Linse verkörpert
viele der besten Eigenschaften nach der vorliegenden Erfindung und hat gekrümmte
Oberflächen 76, um einen Gasstrom zu gewährleisten, der gleichzeitig Eigenschaften
für einen divergenten, einen konvergenten und einen Fluß mit gleichbleibender Fläche
hat. Der divergierende Teil des Stromes gewährleistet eine größte Fläche der Werkstückoberflächenabschirmung
bei einer kleinsten Größe der Gaslinse. Die gleichbleibende Fläche und die konvergierenden
Teile des Gasstromes gewährleisten größte kohärente Strahllängen.
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Die F i g. 9 läßt außerdem in gestricheltem Umriß zum Vergleich zwei
verhältnismäßig kleine Normaldüsen, nämlich mit 13 und 8 mm innerem Durchmesser,
erkennen. Solche Düsen würden beträchtlich kleinere Zonen der Werkstückabschirmung
um den Bogen herum gewährleisten und müssen bei verhältnismäßig kurzen Abständen
zwischen Düse und Werkstück gebraucht werden. Trotz der Tatsache, daß sie verhältnismäßig
kleine Düsen sind, haben sie gleichwohl eine beträchtliche Sperrigkeit, die, im
Verein mit ihrer beschränkten Abschirmleistung, die Lichtbogenerkennbarkeit und
die Brennerhandhabbarkeit erschwert, insbesondere beim Schweißen an engen Stellen.
Im Gegensatz hierzu hat die Gaslinse 50 nach der Erfindung eine wesentlich geringere
Sperrigkeit, und da sie eine breite Flächenabschirmung gewährleistet und ein Schweißen
bei verhältnismäßig langen Abständen zwischen Linse und Werkstück gestattet, hebt
sie diese Beschränkungen der bisherigen Normaldüse auf.
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Im allgemeinen sind die Längen der für die Vorrichtung nach der Erfindung
verwendeten Düsen viel kürzer als die früheren turbulenzfreien Typen, die eine innere
Gassäulenlänge von mehr als dem 20fachen Durchmesser der äußeren Säule erforderten.
In den meisten Fällen braucht die Länge der inneren Gassäule den 5fachen Durchmesser
nicht zu überschreiten.
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Die Erfindung ist nicht auf elektrisches Lichtbogenschweißen mit einer
nichtabschmelzenden oder hitzebeständigen Elektrode beschränkt, sondern in gleicher
Weise auch auf Lichtbogenschweißen anwendbar, bei dem eine abschmelzende Drahtelektrode
verwendet wird, ebenso wie andere Betriebsarten möglich sind, bei denen ein Gasschutz
aus der Atmosphäre mitwirkt.