DE19624444C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Absaugen von beim Schutzgasschweißen entstehenden Luftverunreinigungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Absaugen von beim Schutzgasschweißen entstehenden Luftverunreinigungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand ihres bevorzug­ ten Anwendungsgebietes näher erläutert. Dabei handelt es sich um das Metall-Schutzgasschweißverfahren (MAG, MIG) mit abschmelzender Drahtelektrode, das zu den Lichtbogen-Schweißverfahren gehört. Dabei brennt der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstoff und wird von einem Schutzgasmantel umhüllt. Schweißmetall wird regelmäßig von einem von Drahtrollen abgewickelten nackten Schweißdraht gebildet. Die hierbei entstehenden Luftverunreinigungen sind Schadstoffe, die sich aus den Grundwerkstoffen, den Gasen und Hilfsstoffen, auch aus Fertigungsbeschichtungen und Oberflächenverunreinigun­ gen, vor allem aber aus den verwendeten Schweiß-, Löt- und Spritzzusätzen bilden. Die Luftverunreinigungen fallen als Gase oder als partikelförmige Stoffe (Schwebstoffe) an. Rauch sind Schwebstoffe mit einer Partikelgröße von kleiner 1 µ, Stäube solche mit einer Partikelgröße größer als 1 µ. Diese Luftverunreinigungen werden im folgenden zusammenfassend als Schweißrauch auch bezeichnet. Die in ihm enthaltenen verschiedenen Schadstoffe führen zu unterschiedlichen Wirkungen beim Einatmen.

Durch die Absaugung werden Schadstoffe entfernt und da­ mit das Gefährdungspotential herabgesetzt. Erfindungs­ gemäß erfolgt die Schadstoffabsaugung in unmittelbarer Nähe der Schadstoffquelle, wobei die abgesaugte Luft in der Regel gereinigt an die Atmosphäre abgegeben wird. Die Absaugung ist erfindungsgemäß daher in der Regel im Schutzgas-Schweißbrenner integriert.

Solche Verfahren sind an sich bekannt. Hierbei werden je nach Größe der Eigengeschwindigkeit der im Schweiß­ rauch enthaltenen Stäube die Staubteilchen längs einer mehr oder weniger gebogenen Kurve in die Saugöffnung eingesaugt. Die praktischen Erfahrungen zeigen jedoch, daß auch bei richtig berechneten Absaugeinrichtungen die Erfassung des Schweißrauches unvollständig ist, da es im allgemeinen nicht gelingt, die erforderliche Luftgeschwindigkeit des Saugzuges in der richtigen Entfernung von der Saugöffnung richtig zu wählen bzw. einzuhalten, so daß die Eigengeschwindigkeit bestimmter Rauchpartikel im Verhältnis zur Luftgeschwindigkeit des Saugzuges an der Saugöffnung zu groß wird und Rauchteilchen nicht angesaugt werden.

Die DE-OS 23 43 098 zeigt z. B. eine Schutzgas­ schweißeinrichtung mit konzentrisch angeordneter Absau­ geinrichtung.

Die FR 2 701 880 A1 zeigt eine innere und eine weiter außen liegende Zuführung von Schutzgas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schweiß­ rauch vollständiger zu erfassen und abzuführen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 er­ findungsgemäß gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die Absaugung des Schweißrauches durch einen Mantelstrahl unterstützt, der eine Schutz­ glocke bildet, in der die Luftverunreinigungen des Schweißraumes abgesaugt werden. Da der Mantelstrahl über dem Brenner und der Schutzgasglocke erzeugt wird, lassen sich auch die bislang von der Absaugung nicht erfaßten Schweißrauche in die Absaugung umlenken, wobei der vom Mantelstrahl nicht erfaßte Rest des Rauches vom Schweißbrenner und damit vom Schweißer weggeblasen wird.

Vorzugsweise wird der Mantelstrahl mit einem radial ge­ richteten Gasstrahl erzeugt, da es sich herausgestellt hat, daß der radiale Strahl zur Bezugsebene, in der die Schweißung stattfindet abknickt, wenn die Austritts­ stelle über der Schweißung in dem Verfahren nach An­ spruch 2 angeordnet ist.

Das im Radialstrahl ausströmende und den Mantelstrom erzeugende Gas kann von dem Schutzgas selbst, aber auch von einem anderen gasförmigen Medium, insbesondere von Zuluft gebildet werden, was Gegenstand des Anspruches 3 ist.

Bei einfacher Ausführung der Erfindung empfiehlt es sich, von den Merkmalen des Anspruches 4 Gebrauch zu machen. Hierbei wird durch den Radialstrahl ein Mantel­ strahl erzeugt, der sich über den gesamten Umfang des abbrennenden Schweißdrahtes erstreckt.

Es ist allerdings demgegenüber in der Regel vorteil­ hafter, nach dem Verfahren gemäß Anspruch 5 vorzugehen. Dabei wird der ringförmige Radialstrahl derart gestal­ tet, daß in Richtung der fertigen Schweißnaht durch eine Unterbrechung des radialen Strahles ein achsial unsymmetrischer Mantelstrahl entsteht. Wie sich gezeigt hat, läßt sich damit bei richtiger Wahl der Volumen­ ströme der Absaugung und des Mantelstrahles nahezu der gesamte Schweißrauch absaugen. In diesem Zusammenhang hat sich die Größenordnung als optimal herausgestellt, die Gegenstand des Anspruches 6 ist.

Die erfindungsgemäß erzielte verbesserte Absaugung des Schweißrauches mit Hilfe eines von einem Radialstrahl erzeugten Mantelstrahles läßt sich in der Praxis mit den Merkmalen des Anspruches 7 optimieren. Hierbei wird durch gegenseitige Abstimmung der Austrittshöhe des Ra­ dialstrahles und seines Gasvolumens die Absaugung in der Weise verbessert, daß mit zunehmender Höhe des Gas­ austrittes über der Schweißnaht das Gasvolumen vergrö­ ßert wird.

Der Mantelstrahl kann gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 8 von Teilstrahlen des Radialstrahles gebildet werden, die im allgemeinen aus vorzugsweise düsenförmi­ gen Öffnungen abgegeben werden.

Dabei eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren die Mög­ lichkeit, die Einzel- oder Teilstrahlen gemäß Anspruch 10 in Richtung auf die Schweißnaht zu neigen oder gemäß Anspruch 11 in einer im wesentlichen orthogonal zur Achse des Schweißbrenners liegenden Ebene anzuordnen. Diese Ausführungsformen der Erfindung eröffnen hinrei­ chen viele Möglichkeiten, die Strömungsverhältnisse um den Schweißbrenner in der Art zu beeinflussen, daß die Schutzgasglocke nicht negativ vom Mantelstrahl beein­ flußt werden kann, die dadurch ihre Funktion, die at­ mosphärische Luft von der Brandstelle fernzuhalten un­ geschmälert erfüllt, während die mit dem Mantelstrahl verbesserte Rauchabsaugung mit dem Wegblasen des Rau­ ches vom Schweißer einhergeht.

Weitere Möglichkeiten, welche die Erfindung zur optima­ len Einstellung der verschiedenen Strömungen eröffnet, bestehen in den Ansprüchen 12 und 13. Hierbei ist der Volumenstrom des Mantelstrahles kontinuierlich oder pulsierend eingestellt.

Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Vorrichtungen zur Ausführung des be­ schriebenen Verfahrens; es zeigen

Fig. 1 schematische und in einer Ansicht die verschie­ denen Gasströme in einem erfindungsgemäßen Schutzgas-Schweißbrenner, wobei der Schweiß­ draht weggelassen und die Schweißnaht durch eine Bezugsebene wiedergegeben ist,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Schutzgas-Schweißbren­ ner im Längsschnitt, wobei der zur Zuführung der Komponenten erforderliche Schlauch abgebro­ chen dargestellt ist,

Fig. 3 zwei Ausführungsformen von Radialstrahldüsen oben im Längsschnitt und unten im Querschnitt jeweils längs der Linie III-III, und

Fig. 4 in der Fig. 3 entsprechender Darstellung Radi­ alstrahl-Ringdüsen, wobei die Querschnitte längs der Linie IV-IV wiedergegeben sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird von der allgemein mit 1 bezeichneten Schutzgasschweißpistole gebildet, die an einen Zuführungsschlauch 2 angeschlossen ist. Ein Außenrohr 3 trägt eine Mehrzahl von Mantelstrahldü­ sen 4, die weiter unten näher beschrieben werden, in konzentrischer äußerer Anordnung auf dem Außenrohr 3, das als Absaugrohr für angesaugten Schweißrauch dient. Die Absaugöffnung 5 sieht dabei die durch die Pfeile angedeuteten Gasströme vor, welche im Innenraum 6 des Schlauches abgeführt werden. Das Absaugrohr umschließt konzentrisch ein Schutzgasrohr 7, welches an einer Düse 8 endet, aus deren Öffnung 9 wie durch nach außen ge­ richtete Pfeile angedeutet Schutzgas austritt und eine Schutzgasglocke bildet, in der konzentrisch der konti­ nuierlich vorgeschobene Schweißdraht 10 angeordnet ist.

Dieser Schweißdraht kommt von einer Spule und wird durch nicht dargestellte Transportrollen der Düse 8 zu­ geführt und in dieser wie bei 11 angeordnet geführt. Das freie Drahtende 12 ist relativ kurz, wodurch trotz geringer Drahtstärke hohe Stromstärken angewendet wer­ den können. Ein Pol der Energiequelle wird von dem in Fig. 2 nicht wiedergegebenen Werkstück gebildet, wäh­ rend der andere Pol am Schweißdraht 10 anliegt. Dadurch brennt ein Lichtbogen zwischen dem abschmelzenden Schweißdraht 10 und dem Werkstück. Der Draht 10 ist hierbei Lichtbogenträger und liefert gleichzeitig das Schweißmetall. Das aus der Düse 8 ausströmende Schutz­ gas schützt den Lichtbogen und das vom Schweißmetall gebildete Schweißbad vor der atmosphärischen Luft. An der Schweißstelle wird der Werkstoff durch eine punkt- oder linsenförmige Quelle aufgeschmolzen, wobei in der Schweißzone Temperaturen von über 1.600°C erreicht wer­ den. Je nach Leistungsdichte, Schweißgeschwindigkeit und Werkstoffart kann die maximale Temperatur höher oder niedriger und der Temperaturanfall zum Grundwerk­ stoff hin steiler oder flacher verlaufen.

Wie sich aus der Fig. 2 im Zusammenhang mit der Fig. 1 ergibt, treten aus den Mantelstrahldüsen wie in Fig. 2 durch die Pfeile angedeutete Radialstrahlen 14 aus, welche von Zuluft oder Schutzgas gebildet werden, deren Gesamtheit in der schematischen Darstellung der Fig. 1 mit 15 bezeichnet ist und Gasströme bildet, deren Vek­ toren 16 mehr oder weniger steil in Richtung auf die die Schweißnaht wiedergebende Bezugsebene 17 geneigt sind. Hierdurch bildet sich ein Mantelstrahl, der im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen um die Symmetrie­ achse 40 kontinuierlich verteilten Gasmantel bildet. Im Anfangsbereich, d. h. in dem von den aus den Düsen 15 austretenden Radialstrahlen 16 gebildeten Bereich bil­ den die durch strichpunktierte Linien angedeuteten Vek­ toren des aufsteigenden Schweißrauches Rauchströme, die bei 18 und 19 in Fig. 1 schematisch wiedergegeben sind und zur Saugöffnung 5 abgelenkt und am weiteren Auf­ steigen gehindert werden. Andere, restliche Rauchströme anzeigende Vektoren 20, 21 aufsteigender Rauch- und Luftströme werden dagegen von den Vektoren 16 des Man­ telstromes nach außen von der Schweißstelle weggeblasen und dadurch von dem Schweißer ferngehalten. Die abge­ saugten und ebenfalls durch strichpunktiert wiedergege­ benen Vektoren 22, 23 im Außenrohr 3 abgeführten Schweißrauche sind hochkonzentriert und stellen daher den überwiegenden Teil des entstandenen Schweißrauches dar.

Wie sich aus der Fig. 1 ferner ergibt, sind die durch die Vektoren 24 und 25 dargestellten Schutzgasströme in einem Bereich um die Symmetrieachse 40 konzentriert, der durch den Radius r₂ angedeutet ist. Die aufsteigen­ den und in die Saugöffnung 5 eintretenden und durch die Vektoren 18 und 19 wiedergegebenen Schweißrauche befin­ den sich dagegen in einer Glocke 26 mit einem maximalen Radius r₁ um die Symmetrieachse 40. Die nicht erfaßten und durch die Vektoren 20, 21 wiedergegebenen restli­ chen Schweißrauche beginnen im Abstand r₃ um die Symme­ trieachse 40.

Die Einstellung dieser Gasströme erfolgt in der Weise, daß die Höhe 17a der Austrittsöffnung 5 im Abstand H über der Bezugsebene 17 und das austretende Gasvolumen derart aufeinander abgestimmt werden, daß mit zuneh­ mendem Abstand H der Öffnung 5 über der die Schweißnaht symbolisierenden Bezugsebene 17 das Gasvolumen vergrö­ ßert wird.

Wie sich aus der Darstellung der Fig. 3 ergibt, können die zur Erzeugung des Mantelstromes gemäß den Vektoren 16 vorgesehenen Düsen in unterschiedlicher Anzahl ange­ ordnet werden. Auf dem Absaugrohr 3 sind dann in den beiden in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsbeispielen die Mantelstrahldüsen 27 über dem Boden 28 eines Düsen­ rohres 29 mit den radialen Öffnungen 15 verwirklicht, wobei in dem links in Fig. 3 gezeichneten Ausführungs­ beispiel sieben Öffnungen 15 in gleichem Abstand von­ einander vorgesehen sind. Durch eine oder mehrere Zu­ lauföffnungen 30 wird Außenluft angesaugt und den Düsen 27 zugeführt.

Das rechts in Fig. 3 gezeichnete Ausführungsbeispiel unterscheidet sich hiervon lediglich durch die Anzahl der Öffnungen 15, die in diesem Ausführungsbeispiel bei vierzehn Düsen 27 liegt.

Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 4 verwenden dagegen eine Ringdüse, welche über dem Boden 28 des Düsenrohres 29 einen Radialschlitz 31 aufweist. Dieser bildet einen Radialauslaß für das im Ringraum 32 wie schon in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 zugeführte Mantel­ strahlgas, das dementsprechend im wesentlichen konti­ nuierlich über den gesamten Umfang des Außenrohres 3 austritt. Das rechts in Fig. 4 dargestellte Ausfüh­ rungsbeispiel unterscheidet sich hiervon durch die ge­ ringere Austrittsfläche der Öffnung 31. Diese Ein­ schränkung ist durch einen Steg 33 gewährleistet, der auf seiner Länge die Öffnung 31 blockiert und über ei­ nen Sektor S reicht. Dieser beträgt ca. 1/4 des Umfan­ ges der Öffnung 31.

Durch die Erfindung ergibt sich eine wesentliche Ver­ besserung der Absaugung, die zu einem Teil die Luftver­ unreinigungen erfaßt, aber mit Hilfe des durch den Ra­ dialstrahl erzeugten Mantelstromes verbessert wird. Dieser Mantelstrom verhindert das freie Aufsteigen des Schweißrauches und damit sein Eindringen in die Sphäre des Schweißers. Wenn der Steg 33 auf die fertige Schweißnaht ausgerichtet wird, erfaßt die nur über die restliche freie Öffnung 31 unvollständig ausgebildete Mantelstrahlglocke erfahrungsgemäß den Schweißrauch besser und vollständiger als die im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und links in Fig. 4 ausgebildeten Düsenfor­ men. Erfindungsgemäß läßt sich aber auch mit solchen Düsenformen die Absaugung wesentlich verbessern und die Strömung im Ergebnis so einstellen, daß Schutzgas an der Öffnung 9 gespart wird.

Das zur Erzeugung des Mantelstromes erforderliche Gas wird im Innenraum des Schlauches 6 mit einer Leitung 35 zugeführt und durch eine von einer Düsennadel 36 gebil­ dete Drossel nach Menge und Austrittsgeschwindigkeit eingestellt. Das Schutzgas kann entsprechend über eine nicht dargestellte Düsennadel im Schutzgasrohr 7 einge­ stellt werden.

Wenn das Schutzgas zur Erzeugung des Mantelstromes ver­ wendet wird, sollte es mit erhöhtem Druck bis an die Düsen herangeführt werden. Wenn Schutzgas mit hohem Druck ansteht, so kann mit Hilfe der beschriebenen Dü­ sen der Druck für das Ausblasen der Schutzgasglocke und die Erzeugung des Mantelstromes einzeln oder gemeinsam reduziert werden. Durch das Absinken des Gasdruckes wird die Temperatur im Bereich der Schweißung von innen her in nicht unerheblichem Maße gekühlt. Andererseits fällt im Brenner Wärme an, die von dem abgesaugten hei­ ßen Schweißrauch stammt. Sie kann durch diese Kühlung kompensiert werden. Dadurch ist eine baulich kleinere Ausführung des Brenners möglich. Damit lassen sich die bekannten Brenner mit Rauchgasabsaugung auch für das erfindungsgemäße Verfahren verwenden. Hierfür ist le­ diglich die Zuführung eines komprimierten Mantelstrom­ gases und dessen Dekompression wie beschrieben erfor­ derlich.

Andererseits lassen sich die durch die erhöhte Schweiß­ rauchabsaugmengen freiwerdenen Wärmen zusätzlich mit Hilfe von Kühlblechen abführen die in Fig. 2 bei 39 dargestellt sind. Sie bestehen aus mehreren Einzelble­ chen, die radial im Ringraum zwischen dem Außenrohr 3 und dem Schutzgasrohr 7 sowie im Schutzgasrohr angeord­ net und befestigt sind.

Claims (22)

1. Verfahren zum Absaugen von beim Schutzgasschweißen entstehenden Luftverunreinigungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über dem Brenner und der Schutz­ gasglocke mit einem einen Mantelstrahl formenden Gas Schweißrauch in die Absaugung umgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelstrahl mit radial austretendem Gas erzeugt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß für den Mantelstrahl Schutzgas oder Zuluft verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Man­ telstrahl axial symmetrisch ausgebildet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelstrahl über einen die Schweißnaht enthaltenden Sektor unterbrochen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sektor, in dem der Mantelstrahl unterbro­ chen ist ca. 1/4 seines Vollkreises ausmacht.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ein­ stellung des Mantelstrahles die Höhe seines Gasaus­ trittes und sein Gasvolumen eingestellt werden, wo­ bei mit zunehmender Höhe des Gasaustrittes über der Schweißnaht das Gasvolumen vergrößert wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Man­ telstrahl mit einer Mehrzahl von in einer Radiale­ bene angeordneten Einzelstrahlen erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas des Mantelstrahles im wesentlichen kontinuierlich verteilt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ra­ dialstrahl in Richtung auf die Schweißnaht zur Sym­ metrieachse geneigt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelstrahl orthogonal zur Symmetrieachse gerichtet wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Man­ telstrahlgas kontinuierlich zugeführt und radial zum Austreten gebracht wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantel­ strahlgas pulsierend zugeführt und zum Austreten gebracht wird.

14. Verfahren nach einem oder mehren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Man­ telstrahl formende Gas mit gegenüber dem Schutzgas erhöhtem Druck zugeführt und zur Kühlung des abge­ saugten Schweißrauches verwendet wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die konzentrisch äußere Anord­ nung einer oder mehrerer Mantelstrahldüsen (4) an einem Absaugrohr (3), welches die Schutzgas- und die Schweißmetallzuführung (7, 10) umschließt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß im Absaugrohr (3) Kühlflächen (39) ausge­ bildet sind.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schlauch (2), der den abgesaugten Schweiß­ rauch führt und eine Innenleitung (7) für Schutzgas enthält, eine Druckleitung (35) für Mantelstrahlgas angeordnet ist, die eine Drossel (36) zur Ein­ stellung des Mantelstrahlgasvolumens vor den Man­ telstrahldüsen (4) aufweist, die im festen Abstand vor der Mündung (5) eines Absaugrohres (3) und eines Schutzgaszuführungsrohres (8) im Bereich des Austrittes des Schweißmetalls (12) angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen auf mehreren radial angeordneten Kühl­ blechen (39) angeordnet sind, die als Abstandshal­ ter des Schutzgaszuführungsrohres (7) im Außenrohr (3) dienen.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelstrahldüsen (4) im wesentlichen aus einem Dü­ senrohr (29), das das Außenrohr (3) konzentrisch umgibt und einer oder mehreren Durchbrechungen (15, 31) bestehen, die über einem Verschlußboden (28) des Düsenrohres (29) angeordnet sind, aus denen das Mantelgas austritt.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenrohr (29) einen Ringauslaß (31) für das Man­ telstrahlgas aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ringauslaß mit einem Steg (33) auf ei­ nem Sektor (S) verschlossen ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß der verschlossene Sektor (S) sich über ei­ nen Bogen von ca. 1/4 des Ringauslasses (31) er­ streckt.