-
| Lichtbogenbrenner mit nicht abschmelzender Elektrode und gasum- |
| hülltem, eingeschnürte Lichtbogen |
Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf einen Lichtbogenbrenner mit nicht abschmelzender
Elektrode und gasumhülltem eingeschnürtem Lichtbogen, der gewisse Abwandlungen umfaßt,
die ihn besonders zum Schneiden von metallischen Körpern geeignet machen.
-
Es wurden Lichtbogenflammen entwickelt, die infolge ihres hohen Stabilitätsgrades,
ihrer Steifheit und Wärmeintensität zur Anwendung beim Schneiden metallischer oder
nichtmetallischer Körper mittels Schmelzen vorgeschlagen wurden. Bei der Herstellung
von solchen Lichtbogenflammen wird ein Netzfrequenz-oder Gleichstromlichtbogen zwischen
einer Stabelektrode innerhalb einer Düse und einem benachbarten leitenden Düsenteil
oder einem Werkstück aufrechterhalten, und durch einen eingeschnürten Durchtritt
geleitet, welcher die Form und Richtung der von der Düse ausgehenden leitenden Ausströmung
stabilisiert und steuert, wenn ein Gasstrom entlang und über die Elektrode hinaus
durch den den Lichtbogen einschnürenden Durchtritt auf das Werkstück geleitet wird.
-
Die verwendeten Gase waren praktisch in bezug auf die Stabelektrod
die gewöhnlich aus Wolfram besteht, inert. Es zeigte sich jetzt jedoch als nützlich,
beim Schneiden gewisser Materialien in der Lichtbogenflamme reaktionsfähige Gase
zu verwenden. So erwies es sich, wenn das Lichtbogenbrennerverfahren auf das Schneiden
gewisser Metalle, insbesondere Aluminium, angewendet wird, als nützlich, in der
Lichtbogenflamme Sauerstoff vorzusehen.
-
Insbesondere muß unter diesen Bedingungen die Stabelektrode gegen
das reagierende Gas geschützt werden, um ihre Zerstörung zu vermeiden.
-
Bei einem bekannten Versuch zur Vermeidung einer Elektroden-Verschmutzung
beim Einführen eines Pulvers in eine Bogenflamme wurde das Pulver durch Durchgänge
zugeführt, die sich durch die Wandungen einer langen röhrenförmigen Düse ziehen,
deren eines Ende mit einer von einem ringförmigen Gasdurchlaß umgebenen Zentralelektrode
versehen war, während das andere Ende eine sich nach innen verjüngende Bohrung aufwies,
die in einer sich nach außen erweiternden zündung endete. Der Ausgangsteil der Röhre
war von dem übrigen Teil elektrisch isoliert und diente als zweite Elektrode, wobei
der Lichtbogen von der Düse nach außen geblasen wurde, sobald ein Gasstrom mit hoher
Geschwindigkeit durch diese geblasen wurde. Aber die Erzeugung einer gerichteten,
zum Schneiden geeigneten Lichtbogenflamme setzt voraus, daß das Ende der Elektrode
ganz nahe am Eingang angebracht wird, wenn nicht sogar direkt innerhalb des abgeschnürten
Durchlasses, so daß die Einführung eines Zusatzes, besonders eines gasförmigen Zusatzes,
in die Düse, ohne daß dieser die
| Elektrode berührt, beträchtlich erschwert wird. |
| Bekannt sind auch Düsen für das Schutzgas-Lichtbogenschweißen |
in denen die Elektrode innerhalb einer Rohre von kleinerem Durchmesser angeordnet
ist, wodurch es möglich wird, durch die die Elektrode umgebende Röhre ein Gas von
anderer Geschwindigkeit oder Zusammensetzung als das durch die Düse hindurchgeführte
Gas zu leiten.
| Außerdem ist es bekannt, daS die Hitze eines SchweiBlicht- |
| bögene zur Verdampfung von Flüssigkeiten verwendet werden |
| kann und daß die so erzeugten Dämpfe zum Schutz oder sonsti- |
gen Zwecken über den Lichtbogen geleitet werden können.
-
Die Neuerung richtet sich jedoch allein auf Lichtbogenbrenner und
hat die Schaffung eines verbesserten Licht-, ogenbrenners zum Gegenstand, der speziell
die Einleitung von reaktionsfähigen Gasen in die aus tretende Strömung, und zwar
bei minimaler Gefahr eines Elektrodenangriffs, ermöglicht.
-
Die Neuerung betrifft einen Lichtbogenbrenner mit einer nicht abschmelzenden
Stabelektrode, die innerhalb einer Düse mit einer bogeneinschnürenden Auslaßmündung
angeordnet ist und deren Spitze unmittelbar oberhalb oder innerhalb des Eintritts
dieser Auslaßmündung vorgesehen ist, und wobei die Düse eine Durchlaßeinrichtung
aufweist, um ein zweites Gas in die äußeren Zonen des die Auslaßmündung durchströmenden
Gases zu leiten, und die Erfindung besteht darin, daß die Durchlaßeinrichtung in
oder unmittelbar stromauf der bogeneinschnürenden Mündung der Düse endet. Die Stabelektrode
besteht vorzugsweise aus hitzebeständigem Metall, z.B. aus Wolfram, und das zu ihrem
Schutz gegen Oxydation verwendete Schutzgas ist vorzugsweise Stickstoff,
| Argon, Helium oder eine Mischung derselben Das reaktions |
| fähige Gas kann vorzugsweise ein aauerstoffhaltiges Gas, |
| z. B. Sauerstoff, Luft, Kohlendioxyd oder Wasserdampf sein. |
| Dieser läßt sich mittels eines porösen Metslleinsatzes |
| in der Düae, durch welchen ein Teil dee Wassere zur Küh- |
| lung der Düsehäurchtreten kann, in die Lichtbogentlamme |
| einführen. Es lassen eich auch in ähnlicher Weise andere |
| reaktionsfähige Flüssigkeiten durch einen porösen Einsatz |
| einleiten. |
| Weitere Kerkale, Vorteile und AnendungsmSglichkeiten de2 |
| Neuerung ergaben sich aus der Beschreibung von AusführuBgs |
| beispielen im Zusammenhang mit Zeichnungen. |
| Es zeiGt : |
| Fig. Dohematisch einen Lichtbogenòrenner, bei Welchem der |
| reagierende Gsstrom in die Düse über Durchlässe |
| einseführt vjird, die sich in die innere Wandung des |
| eingeschnürtenTeiles der Düse öffnen, obei das |
| Werkstück in dem Lichtbogenflaenkreis liegte |
| Fig. 2 schematisch eine Einrichtung. ùei welcher dca |
| reaktionsfähige Gas in die Düse, huber Durchlässe |
| ed ngex ird y i ie sich in die innere Landung |
| des DUsendurchlauses zwischen der. Stabelektrade |
| und dem. eingeschnürten Teil der Düse öffnen |
| Fig. 3 5 schematisch eine Einrichtung, bei welcher das |
| reaktionsfähige Gaa in die Düse über eine gen |
| sondere Leitung eingeführt v : ird, die oberhalb des |
| Enctes der Stabelektrode endete |
| Fig. 4 schematisch eine Einrichtung, bei welcher das |
| reaktionsfähige Gas aus Luft besteht, die zwischen |
| den oberen und unteren Düsenteil eingef hrt wird p |
| wobei dieser in dem lichttogenflenmenkreis liegt, |
| Fig. 5 schematisch eine Einrichtung, bei welcher eine au |
| verdampfende Flüssigkeit Über einen porösen Ein- |
| satz in dem eingeschnürten Teil der Düse einge- |
| führt wird, und |
Fig. 6 einen Seitenaufriß, teilweise im Schnitt einer vorzugsweise
Ausführungsform eines Lichtbogenbrenners nach der Neuerung, Jeder der in Fig. 1
bis 5 veranschaulichten Lichtbogenbrenner weist eine Düse 10 Bit einem mittleren
Halsteil 12 auf, in welchem der untere Endteil einer nicht abschmelzenden Elektrode
14 herabhängt, die vorzugsweise aus thoriertem Wolfram aufgebaut ist. Die Elektrode
14 befindet sich im Abstand von der inneren Wandung und vom Boden des Halsteils
und schafft zwischen diesen einen Durchlaß für ein Schutzgas, wie etwa Argon, Helium,
Wasserstoff, Stickstoff oder Mischungen derselben, das axial in einem ringförmigen
Strom um die Primärelektrode 14 herumströmt. Unterhalb der Elektrode strömt das
Gas durch einen den Lichtbogen stab renden Durchlaß oder eine Mündung 15.
-
Die andere Primärelektrode kann die Düse 1 oder ein metallisches Werkstück
16 sein. In dem Durchlaß 15 und zwischen der Elektrode 14 und dem Werkstück 16 tritt
ein Lichtbogen auf, wenn eine Stromquelle S mit diesen mittels Leitern 18 und 20
verbunden wird. Aus dem Auslaß des Durchlasses 15 tritt eine äußerst heiße elektrisch
leitende Ausströmung aus. Die Düse 10 wird kühl gehalten, indem man Wasser durch
einen (den Durchlaß 15 umgebenden) ringförmigen Durchlaß 22 zirkulieren läßt.
-
Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform wird das reaktionsfähige
Gas, z.B. ein sauerstoffhaltiges Gas mittels (sich in den Durchlaß 15 öffnender)
Löcher 24 in der Düsenwandung in die äußeren Teile des Schutzgasstromes eingeführt.
-
Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform wird das sauerstoffhaltige
Gas in die äußeren Teile des Lichtbogenstroms mittels (sich in den zentralen Halsteil
12 direkt unterhalb der Elektrode 14 und über der den Lichtbogen stabilisierenden
Öffnung 15 öffnenden) Löcher 25 in der Düsenwandung eingeführte Diese Ausführungsform
ist weiterhin ein Beispiel für eine Anordnung, bei welcher der Lichtbogen zwischen
der Stabelektrode 14 und der die eingeschnürte Mündung 15 aufweisenden Elektrode
durchtritt. In diesem Falle weist die Ausströmung heiße Gase auf und erfordert kein
elektrisch leitendes Werkstück, Bei der in Fig. 3 veranschaulichten Ausfhührungsform
umgibt eine Leitung 27 für inertes Gas konzentrisch die Elektrode 14 innerhalb des
zentralen Halsteiles 12 und bildet eine Sperrwand zwischen dem ringförmigen.
-
Schutzgasstrom innerhalb. der Leitung 27, der sich in Berührung mit
der Elektrode 14 befindet, und dem (in den zentralen Halsteil 12 eintretenden und
die Außenseite der Hülse 27 umgebenden) ringförmigen Strom aus sauerstoffhaltigem
Gas.
-
Bei der in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsform bildet ein ringförmiges
Glied 30 eine zweite Bleitrode, die sich im Abstand unterhalb der Elektrode 10 befindet
und eine koaxial mit dem Durchlaß 15 liegende Mündung 32 aufweist sowie mittels
eines Kühlwassermantels 34 gekühlt wird. Die Stromquelle S ist mit der Düse 10 über
eine Impedanz 36 sowie mit dem ringförmigen Glied 30 über eine Impedanz 38 verbunden.
-
Saueratoffhaltiges Gas wird in die gebohrten Zwischenräume 40 zwischen
den Düsen eingeführt. Die Impedanz 40 kann auch Null sein und das Werkstück kann
außerhalb des Stromkreises liegen.
-
Bei der in Fig. 5 veranschaulichten Ausführungsform bildet ein ringförmiger
Einsatz 42 aus porösem Metall oder einem porösem Keramikwerkstoff mit einem zentralen
Durchlaß desselben Durchmessers wie der eingeschnürte Durchlaß 15 eine innere Wandung
für den Kühlwassermantel 22. Das durch die Poren in dem Einsatz tretende Wasser
kühlt die Mündungswandungen und tritt dann in die Lichtbogensnule als Dampf ein.
-
Bei allen veranschaulichten Ausführungsformen wird der Strom aus reaktionsfähigem
Gaa außerhalb des die Elektrode schützenden Gasstromes eingeführt und befindet sich
in der von der Lichtbogenstabilisiermündung abgegebenen Ausströmung.
-
Die folgenden Beispiele beschreiben die Wirkungsweise der vorliegenden
Neuerung : Beispiel 1 Lichtbogenbrennerschneiden von Flußstahl bei Verwendung sauerstoffhaltiger
Gase Es wurde eine Einrichtung der in Fig. 1 veranschaulichten Art verwendet. Um
die Wolframstabelektrode mit 3, 2 mm Durchmesser herum nach unten und aus der Mündung
der Düse mit 2 mm Innendurchmeser wurde Argongas mit 425 Liter pro Stunde geleitet,
während zwischen der Wolframelektrode und einer PluBstahlplatte von 614 mm Dicke
ein Lichtbogen gezündet wurde. Sodann wurde Sauer-
| stoffes mit etwa 1400 bis 2150 Liter pro Stunde in die |
Düse unterhalb der Wolframelektrode eingeführt. Die Stahlgrundplatte wurde mit einem
Stromfluß von 175 bis 200 Ampere und einer Lichtbogenflammenspannung von
45
Volt Gleichstrom bei negativer Stabelektrode abgetrennt.
-
Der sich ergebende Brennschnittspalt schien etwas breiter zu sein
als derjenige, der auftrat, wenn Sauerstoff nicht verwendet wurde. Beispiel 2 Lichtbogenbrennerschneiden
von Aluminium bei Verwendung von sauerstoffhaltigem Gas Es wurde hier eine Brennereinrichtung
der in Fig. 4 voranschaulichten Art verwendet. Die mit einem Durchmesser von 3,2
mm ausgebildet thorierte Wolframelektrode wurde 3,2 mm von einer wassergekühlten
Kupferdüsenelektrode von 3,2 mm Durchmesser und 2,4 mm Länge zurückgesetzt. Die
untere Düse wies einen Durchmesser von 3, 2 mm und eine Länge von 6. 4 mm auf und
befand sich 4, 8 mm unterhalb der ersten Düse. Jeder der Belsstungswiderstänge bestand
aus zwei in Serie geschaltete 1000-Watt-Birnen. Argongas wurde mit 425 Liter pro
Stunde durch den Brenner nach unten geleitet, und der Lichtbogen wurde zwischen
der Wolframelektrode und der 6. 4 mm dicken Aluminiumplatte gezündet.
-
Sodann wurde zwischen die Düsen Luft mit 849 Liter pro Stunde eingeführt.
Die Aluminiumgrundplatte wurde sodann mit 17 cm pro Minute bei einem Strom von 225
Ampere und einer Lichtbogenflammenspannung von 51 Volt Gleichstrom bei negativer
Stabelektrode geschnitten.
-
Der Vorgang wurde wiederholt bei Anwendung von 736 Liter pro Stunde
Argon,1528Liter pro Stunde Luft, 195 Ampere und 59 Volt Gleichstrom bei negativer
Stabelektrode, um auch 614 mm dickes Aluminium mit 127 am pro Minute zu schneiden.
-
Um bei einigen Metallen gute Schnitte zu erhalten, ist es wesentlich,
daß dem Schutzgas Wasserstoff zugefügt wird.
-
Zum Beispiel verbessert das Hinzufügen von Wasserstoff von 1 bis 100
% die Brennachnittspaltwandungen von Aluminium und Magnesium gegenüber denjenigen,
die unabhängig davon, ob Stickstoff, Helium oder Argon verwendet werden, erhalten
werden, wobei sich die besten Ergebnisse bei etwa 50 % Wasserstoff ergaben.
-
Beim Schneiden von Metallen, wie Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl,
Nickel und Kupfer, wird vorzugsweise Stickstoff, Argon oder eine Mischung derselben
als Schutzgas verwendet. Es istwasentlioh, daß die Querschnittsfläche des ringförmigen
Zwischenraums zwischen der Elektrode und dem Schutzgasrohr so klein ist, daß ein
Strahlstrom hoher Geschwindigkeit bei einer geringen Strömung von Schutzgas erhalten
wird, um das Schneldgas zu ersetzen und hierdurch die Spitze der Elektrode entsprechend
gegen Verunreinigung zu schützen.
-
Dasselbe gilt für den Abstand, um welchen die Elektrode aus dem Schutzgasrohr
vorsteht ; er beträgt vorzugsweise 3,4 mm. Eine weitere wichtige Entfernung ist
das Zurücksetzen der Elektrode von der den Lichtbogen einschnürenden
| Rundung, sie beträgt vorzugsweise etwa 3, 2 mm. Ein wesent- |
lich größerer Abstand bewirkt, daß der Lichtbogen auf das die Mündung bildende Metall
übergeht, bevor er auf das
| Werkstück zuläuft, was als Doppelbogenbildung bekannt |
| ist. |
-
Es ist wichtig, daS die Elektrode konzentrisch mit dem Schutzrohr
und das Schutzrohr konzentrisch mit der den Lichtbogeneinschnürenden Mündung ausgerichtet
ist. Jede wesentliche Exzentrizität bewirkt eine Oxydation der Elektrode sowie daß
eine Seite des Brennschnittspaltes rauh wird und an ihm Schlackenteile anhaften.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Lichtbogenbrenners nach der Neuerung ist in
Fig. 6 veranschaulicht. Der Brenner weist einen Korper B mit einem Grundkörper auf,
dessen unteres Ende einen Elektrodenhalter oder eine Spannzange B aufnimmt. Eine
Spannzange C innerhalb des Halters H liegt gegen ein Auflager an der Oberseite des
| BrenneikScpeaa B an, und der Halter H weist eine konische |
innere Unterteiloberfläche auf, um die Spannzange (zum Ergreifen der Elektrode E)
zusammenzudrücken, wenn die Spannzange C durch Anwendung von Druck mittels der Brennerkappe
in den Körper B gezwungen wird. Ein Isolationsring I ist auf die Innenseite des
Unterteiles des Brennerkörpers B aufgeschraubt, während ein Kühlwassermantel J auf
die Außenseite der Isolation : I geschraubt ist. Der Brennt per B weist einen Einlaß
110 für Schutzgas auf, der sich in eine ringförmige'Kammer zwischen dem
| Spann&angenkopf und der Oberseite des Blektrodenhalters
H |
hinein ßffnet, von dem aus das Schutzgas innerhalb des Halters und außerhalb der
Spannzange nach unten strömt sowie dann durch die Spannzangenschlitze und weiter
durch den Unterteil des Halters. Der Brennerkörper B weist ferner einen Einlaß 112
für Kühlwasser auf, von dem nicht veranschaulichte Durchgänge zu einer ringförmigen
Aussparung 114 in dem Brennerkörper führen. Eine Einlaßleitung 115 für den Schweißstrom
erstreckt sich durch den Wasserauslaßschlauch 117.
-
Der Elektrodenhalter oder Spannzangenkörper H weist einen oberen rohrförmigen
Teil 116 von praktisch dem gleichen Umfang wie das Futter auf, ferner einen Zwischen-kragenteil
118 unterhalb des Unterteiles des Brennerkörpers B, der länger ist als die darin
befindliche Bohrung und einen von dem Kragenteil 118 herabhängenden Vorsprung 120.
In Längsrichtung verlaufende, in dem rohrförmigen Teil 116 und dem Kragenteil 118
ausgebildete Aussparungen 122 verbinden die Aussparung 114 des Brennerkörpers mit
dem Raum unterhalb des Brennerkörpers B. Der Kühlwassermantel weist eine innere
Schulter 14 auf. die eine Dichtung gegen den Boden des Kragens 118 preßt, um eine
Wasserkammer abzuschließen.
-
Der Schutzgasdurchlaß durch den Vorsprung 120 ist mittels eines Schutzgaarohres
126 aus hitzebeständigem Material, z. B. Diamonit, weitergeführt, das mittels einer
Scbraubkupplung 128 vorzugsweise aus hitzebeständigem Material, wie etwa Lava, an
dem Vorsprung befestigt ist. Der innere Durchmesser des Rohren 126 steht in gewissem
Verhältnis zu dem Elektrodendurchmeseer, um eine kleine Querschnittsfläche für den
dazwischen befindlichen ringförmigen Durchlaß zu schaffen, der klein genug ist,
um bei kleiner Strömung eine hohe Geschwindigkeit zu erreichen, wobei diese Fläche
vorzugsweise geringer als diejenige der Elektrode ist. Eine äußere. Isolatorkupplung
130, die auf den Unterteil des Kühlwassermantels W aufgeschraubt ist, umgibt die
Kupplung 128, Eine Dtiseneineatzhalteranordnung 132 ist am Unterteil der Kupplung
130 mittels eines Gewinderinges 133 befestigt. Die Anordnung 132 ist mit einem ringförmigen
Kopfteil 134 versehen, der chemisch aktives Gas durch einen Einlaß 136 aufnimmt.
Ein Düseneinsatz 138 paßt innerhalb des Unterteiles der Halteranordnung 132 mit
einem derartigen Spiel, daß die eingeschnürte Mündung 140 des Einsatzes in bezug
auf die
Elektrode E und das Schutzgasrohr 126 mittels vier in gleichem
Winkelabstand verteilten Einstellschrauben 142 zentriert werden kann. Der Boden
des DUseneinsatzes ist benachbart der Mündung 140 vorzugsweise mit einem Kühlwassermantel
144 mit entweder O-Ring oder Silberlotaufbau versehen.
-
Die äußere Kupplung 130 liegt auf der Dichtung unterhalb des Kragenteiles
118 an und bildet zusammen mit den ringförmigen darunterliegenden Teilen ein Gefäß,
um das chemisch aktive Gas aufzunehmen, das nach innen von dem Kopfstück 134 aus
durch zwei oder mehrere gleichmäßig um dieses verteilte Öffnungen strömt und es
außerhalb des Rohres und innerhalb der Düse 138 zu und durch die einge-
| schnüre Mündung 140 zu leiten. |