DE19828633B4 - Arc welding or cutting torch and cooling system, plasma nozzles or TIG electrode collets, clamping system for plasma electrode needles and. cross-process design principle for this - Google Patents
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Abstract
Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionsprinzip so gehalten ist, daß der Anodenbereich (3) des Plasmabrenners, bestehend aus dem Kühlsystem und der Schutzgasverteilung ohne Veränderung für die Herstellung sowohl eines Plasmabrenners als auch eines WIG-Brenners verwendet werden kann und durch Tauschen der Plasmadüse (7) mit Zentrierrohr (27) gegen eine WIG-Elektrodenspannzange (33) oder umgekehrt und Tauschen der Elektrodenspannzange (28), der Spannkappe (29) und des Spannzangenaufnahmegehäuses (30) gegen eine Elektrodenabdeckkappe (34) oder umgekehrt entweder ein Plasmabrenner (
1.1 Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem aus den Teilen inneres Kühlmantelgehäuse (5), Trennmantel (8) äußeres Kühlmantelgehäuse (9), Schutzgasdüsenaufnahme (10), Kühlmittelaustrittsrohr (20) und Kühlmitteleintrittsrohr (21) besteht.
1.2 Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasverteilung aus den Teilen Schutzgasdüsenaufnahme (10), Schutzgaszuführungsrohr (13), Schutzgasdüse...Liquid-cooled arc welding or cutting torch, in particular plasma or TIG torch, characterized in that the design principle is such that the anode area (3) of the plasma torch, consisting of the cooling system and the protective gas distribution without modification for the production of both a plasma torch and a TIG torch can be used and by exchanging the plasma nozzle (7) with centering tube (27) for a TIG electrode collet (33) or vice versa and exchanging the electrode collet (28), the collet cap (29) and the collet holder housing (30) an electrode cap (34) or vice versa either a plasma torch (
1.1 Liquid-cooled arc welding or cutting torch, in particular plasma or TIG torch, according to claim 1, characterized in that the cooling system from the parts of the inner cooling jacket housing (5), separating jacket (8), outer cooling jacket housing (9), protective gas nozzle holder (10), coolant outlet pipe (20) and coolant inlet pipe (21).
1.2 Liquid-cooled arc welding or cutting torch, in particular plasma or TIG torch, according to claim 1, characterized in that the shielding gas distribution from the parts of shielding gas nozzle holder (10), shielding gas supply pipe (13), shielding gas nozzle ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, sowie eine Anordnung bestehend aus Plasmadüse oder WIG-Elektrodenspannzange sowie Gaslinsender und Schutzgusdüse verfahrensübergreifend aus den gleichen Bauteilen des Kühlsystems und der Schutzgasverteilung gefertigt ist, sowie einem Kühlsystem, bei dem ein i. d. R. flüssiges Kühlmedium die jeweils verfahrensabhängig am stärksten thermisch beanspruchten Bauteile, Plasmadüse bzw. schwer abschmelzende Elektrode bei WIG-Brennern, entlastet, einem höher belastbaren, gewindelosen Plasmadüsen- bzw. WIG-Spannzangensystem und einem Plasmaelektrodenspannsystem mit Differentialschraubtrieb hierfür.The invention relates to a arc welding or cutting torch, in particular plasma or TIG torch, and an arrangement consisting of a plasma nozzle or TIG electrode collet as well as gas lens transmitter and protective casting nozzle across processes from the same components of the cooling system and the protective gas distribution is manufactured, as well as a cooling system, where an i. d. R. liquid cooling medium each process-dependent the strongest thermally stressed components, plasma nozzle or hard-melting Electrode in TIG torches, unloaded, a more resilient, threadless Plasmadüsen- or TIG collet system and a plasma electrode clamping system with differential screw drive for this.
Plasmabrenner, speziell Plasmaschweißbrenner haben in der Schweißtechnik zahlenmäßig eine weitaus geringere Verbreitung als WIG-Brenner und werden demzufolge in deutlich kleineren Stückzahlen gefertigt, wodurch sich unter anderem ein signifikanter Kostennachteil ergibt. Üblicherweise werden Plasmabrenner trotz ihrer geringen Fertigungsstückzahlen unabhängig von Brennern für andere, verwandte Verfahren konstruiert, ohne, durch eine im Prinzip mögliche Anpassung kostenintensiver Bauteile, beispielsweise an entsprechende Bauteile von WIG-Brennen, über eine erhöhte Fertigungsstückzahl dieser Teile eine Kostenreduzierung herbeizuführen. Durch diese Vorgehensweise ergibt sich ein hoher Konstruktionskostenanteil, der auch die Bereitschaft der Hersteller zu einer laufenden Produktpflege oder Entwicklung neuer Brennertypen stark einschränkt. Dadurch bedingt werden für ein, auch im Hochtechnologiesektor eingesetztes und von hohen Qualitätsansprüchen begleitetes Verfahren oftmals konstruktiv überalterte Brennermodelle angeboten und demzufolge auch eingesetzt.Plasma torch, especially plasma welding torch have in welding technology numerically one far less widespread than TIG torches and are consequently in significantly smaller numbers manufactured, which among other things results in a significant cost disadvantage results. Usually become plasma torches despite their low production quantities independently of burners for other, related processes constructed without, by one in principle possible Adaptation of expensive components, for example to corresponding ones Components from TIG firing, about an increased Manufacturing number of these parts to bring about a cost reduction. By doing this there is a high proportion of construction costs, which also results in readiness the manufacturer to ongoing product maintenance or development severely limits new types of burners. Be conditioned for a used also in the high technology sector and accompanied by high quality standards Processes are often structurally outdated Burner models offered and therefore also used.
Ein wesentliches Merkmal für die Belastbarkeit und Standzeit eines Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenners bzw. seiner Verschleißteile ist die Effektivität seines Kühlsystems, wobei der Erfolg der hierzu getroffenen Maßnahmen von verschiedenen Faktoren wie z. B. der Lage, Größe und geometrischen Gestaltung der Kühlflächen/Wärmetauschflächen, den Querschnitten und der Auswahl der Werkstoffe von Kühlkörpern und direkt angrenzenden Bauteilen abhängt.An essential characteristic for resilience and service life of an arc welding or cutting torch or of its wear parts is effectiveness its cooling system, The success of the measures taken depends on various factors such as B. the location, size and geometric Design of the cooling surfaces / heat exchange surfaces, the Cross sections and the choice of materials for heat sinks and directly adjacent components.
Bei den bekannten Brennern sind bereits verschiedene
der hier genannten Faktoren, z. T. auch in Kombination untereinander
berücksichtigt
und konstruktiv umgesetzt worden. Einfache Rohrumschlingungen oder
auch in den Brennerkörper
integrierte Kühlkammern
wurden z. B. bereits bei verschiedenen Modellen ausgeführt. Im
Bemühen
um eine möglichst
hohe Kühlwirkung
durch eine Strömungsverlängerung
wird das Kühlmedium
bei Brennern mit einem höheren
Qualitätsanspruch üblicherweise
aufwendig durch den Brennerkörper
geleitet. Bekannte Beispiele hierfür sind, wie auch in
Letztenendes ist jedoch neben den Strömungsrichtungen des Kühlmediums und der im Brenner erzeugten und abzuführenden Wärme immer die Größe und Anordnung der zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Fläche für den Erfolg der Kühlmaßnahmen und damit für die Belastbarkeit eines Brenners und seiner Verschleißteile ausschlaggebend. Die hierfür zur Verfügung stehende Fläche, auch bei zwangsgelenkter Kühlmediumführung nach den vorgenannten Methoden, bei der bisher üblichen einschaligen Kühlkammerausführung ist jedoch durch die aus verschiedenen Gründen möglichst gering zu haltende Bauhöhe des Brennerkörpers stark begrenzt.Ultimately, however, is next to the flow directions of the cooling medium and the heat generated and dissipated in the burner always the size and arrangement the one for heat exchange to disposal standing area for the Success of the cooling measures and therefore for the resilience of a burner and its wear parts are decisive. The one for this to disposal standing area, too with forced cooling medium guidance according to above-mentioned methods, in the conventional single-shell cooling chamber design however, by keeping it as low as possible for various reasons height of the burner body very limited.
Eine weitere Leistungsbegrenzung für Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner ist durch die eingeschränkte thermische Belastbarkeit der zur Isolierung des Brennerkörpers erforderlichen Kunststoffummantelung gegeben. Zur Vermeidung von Überbeanspruchung, was sich bei der bisherigen Standardkühltechnik durch partielles anschmelzen, teigig werden oder zersetzen des Kunststoffs einstellen könnte, wird teilweise auch die obere mögliche Strombelastungsgrenze für die Brenner vom Hersteller nach unten korrigiert.Another power limitation for arc welding or Cutting torch is due to the limited thermal resilience to isolate the burner body given the necessary plastic sheathing. To avoid overuse, what is different in the previous standard cooling technology could melt, become doughy or decompose the plastic sometimes also the upper possible current load limit for the Burner corrected downwards by the manufacturer.
Wie ebenfalls aus
Bei den z. Zt. bekannten Plasmaschweiß- und -schneidbrennern werden überwiegend indirekt gekühlte Plasmadüsen verwendet, die ausschließlich über ein Ein- oder Aufschraubgewinde und eine angrenzende ringförmige oder einem Kurzkegel entsprechende Anlagefläche gekühlt werden. Dieses Konstruktionsprizip hat wesentliche Nachteile, dadurch bedingt, daß auf die gesamte Länge des für den Gewindeauslauf zwangsläufig erforderlichen Freistichs keine Wärmeübertragung stattfinden kann und unter Vernachlässigung der grundsätzlich mit der Einschraubtiefe abnehmenden Flankenpressung auch nur jeweils eine Gewindeflanke pro Steigung zur Anlage und somit als Kühlfläche in Betracht kommt. Erschwerend kommt hinzu, daß dieses Gewinde über die Gebrauchsdauer (Lebens dauer) des Brenners durch den häufigen Düsenwechsel einem nicht zu vernachlässigenden Verschleiß unterliegt, wodurch sich die Wärmeübergangsfläche stetig verringert. Der für die, als Hauptkühlfläche anzusehende, ringförmige oder kurzkegelartige Anlagefläche zur Verfügung stehende Platz wird in der Regel durch die Schutzgasaustrittsöffnungen und/oder durch die stets angestrebten möglichst geringen Brennerabmessungen begrenzt und gestattet keine, den Kühleffekt unterstützende großzügige Dimensionierung. Für dieses Konstruktionsprinzip typisch ist auch die relativ große Entfernung zwischen der themisch am stärksten belasteten Düsenspitze und den erst und ausschließlich am hinteren Teil der Düse angeordneten Wärmeübergangsflächen sowie der den Wärmeabfluß innerhalb der Düse behindernde stufenförmige Materialabtrag zur Herstellung des Einschraubgewindes, insbesondere im Bereich des Gewindefreistichs.In the z. Currently known plasma welding and cutting torches are prevalent indirectly cooled plasma nozzle used exclusively through a Screw-in or screw-on thread and an adjacent ring-shaped or a contact surface corresponding to a short cone can be cooled. This design principle has major disadvantages, due to the fact that on the entire length of the for the Thread runout inevitable required undercut no heat transfer can take place and neglecting the fundamentally with the screwing depth decreasing flank pressure only in each case one thread flank per pitch to the system and thus comes into consideration as a cooling surface. To make matters worse, this Thread over the service life (service life) of the burner due to the frequent nozzle change one not to be neglected Wear is subject to what the heat transfer surface steadily reduced. The one for the main cooling surface, annular or short cone-like contact surface disposal standing space is usually through the protective gas outlet openings and / or by the aim of the smallest possible burner dimensions limits and does not allow generous dimensions to support the cooling effect. For this The construction principle is also typical of the relatively large distance between the most thematically loaded nozzle tip and the first and only at the rear of the nozzle arranged heat transfer surfaces as well of the heat flow inside the nozzle disabling stepped Material removal for the production of the screw-in thread, in particular in the area of the thread undercut.
Bis jetzt realisierte effektivere Kühlsysteme für den Bereich des Plasmakanals und der Düsenspitze verwenden ausschließlich direkt gekühlte Düsen, d. h., die Plasmadüsen werden unter Verwendung von Dichtelementen, i. d. R. O-Ringen, direkt in das zum Düsenwechsel geöffnete Kühlsystem eingesetzt (siehe z. B. USP-Nr. 4,645,899 oder auch die Darstellungen in den Betriebsanleitungen des Plasmaschweißbrenners Messer-Griesheim PMW 350). Diese Methode hat die Nachteile, daß der Düsenwechsel üblicherweise nur mit Hilfe von Spezialwerkzeug durchgeführt werden kann und die Dichtelemente sowie die Dichtsitze im Brenner verschleißbehaftet und beschädigungsgefährdet sind. Derartige Undichtigkeiten, die zu einem Kühlmittelaustritt während des Schweißens führen, können die Qualität des geschweißten Werkstücks entscheidend negativ beeinflussen bzw. den Totalverlust von Werkstück und Schweißbrenner zur Folge haben. Außerdem sind zumindest die Verunreinigung von Arbeitsplatz und/oder des zu schweißenden Werkstücks durch austretendes Kühlmittel während des Düsenwechsels eine häufige und unangenehme Folge sowie die ggf. hinzukommenden negativen Arbeitssicherheitsaspekte.So far realized more effective Cooling systems for the area of the plasma channel and the nozzle tip use exclusively directly cooled nozzles, d. i.e., the plasma nozzles are using sealing elements, i. d. R. O-rings, directly in that to change the nozzle opened cooling system used (see e.g. USP No. 4,645,899 or the illustrations in the operating instructions for the plasma welding torch Messer-Griesheim PMW 350). This method has the disadvantages that the nozzle change is usually only possible with the help performed by special tools and the sealing elements as well as the sealing seats in the burner subject to wear and are at risk of damage. Such leaks that lead to a coolant leak during the welding to lead, can the quality of the welded workpiece decisively negatively influence or the total loss of workpiece and welding torch have as a consequence. Also are at least the contamination of the work place and / or the workpiece to be welded by emerging coolant while of changing the nozzle a common one and unpleasant consequence as well as the possibly added negative occupational safety aspects.
Für beide, direkt und indirekt gekühlte Plasmabrennersysteme ergibt sich in der Praxis ein gemeinsamer Nachteil dadurch, daß i. d. R. die Plasmadüsen nur mit Hilfe von Werkzeugen in den Brennerkopf fest eingeschraubt oder eingesetzt werden können. Teilweise werden von den Brennerherstellern Sonderwerkzeuge vorgesehen, die jedoch oftmals verloren gehen. Üblicherweise werden diese Sonderwerkzeuge dann durch die auch für das Einschrauben aller anderen Düsenarten verwendete Kombizange ersetzt, was zwangsläufig früher oder später zu Beschädigungen an Düsen und Brennern führt. Selbst die mit einem Rändel am Außendurchmesser versehenen Düsentypen werden in der Praxis oftmals mittels Zangen angezogen, um auch sicherzustellen, daß die für den betreffenden Brennertyp bestmögliche Düsenkühlung erreicht werden kann.For both directly and indirectly cooled In practice, plasma torch systems have a common disadvantage in that i. d. R. the plasma nozzles only firmly screwed into the burner head using tools or can be used. Special tools are sometimes provided by the burner manufacturers, which are often lost. Usually these special tools then through that for screwing in all other types of nozzles used pliers replaced, which inevitably sooner or later damage on nozzles and burners. Self the one with a knurl provided on the outside diameter nozzle types are often tightened using pliers to ensure that that the for the best possible burner type concerned Nozzle cooling reached can be.
Bei Plasmabrennern nach dem Stand
der Technik ist die Wartung oftmals dadurch erschwert, daß, sofern
vorhanden, die Gaslinsen fest eingebaut und nicht oder nur mit Spezialwerkzeug
gewechselt werden können
(siehe
Bei herkömmlichen Elektrodenspannsystemen für schwer schmelzende Elektrodennadeln von Plasmabrennern werden die Elektroden über eine Einstellehre in die vorgegebene Position gebracht und direkt geklemmt. Bei weiterentwickelten Spannsystemen, wie sie vorwiegend bei in Deutschland produzierten Plasmabrennern zu finden sind, werden die Elektroden in einem eigenen, im oberen Brennerbereich (Kathodenbereich) angeordnenten, Zwischengehäuse gespannt. Über ein feingängiges Außengewinde auf diesem Zwischengehäuse und ein im Brenner befindliches Innengewinde kann das Zwischengehäuse und damit die geklemmte Elektrode dann in ihrer Position im Brenner feinjustiert werden, was für die Bildung eines optimalen Plasmastrahls von Vorteil ist.With conventional electrode clamping systems for difficult melting electrode needles from plasma torches become the electrodes via a setting gauge brought into the specified position and clamped directly. In advanced Clamping systems, such as those mainly produced in Germany Plasma torches, the electrodes are placed in their own, arranged in the upper burner area (cathode area), intermediate housing clamped. About one fine pitch external thread on this intermediate housing and an internal thread in the burner can the intermediate housing and so that the clamped electrode is then in its position in the torch be fine tuned, what the formation of an optimal plasma jet is advantageous.
Ein deutlicher Nachteil bei der Realisiertung der oben beschriebenen Spanntechniken aber ist, daß die Elektrodenklemmung oft in relativ großer Entfernung von ihrer thermisch hoch belasteten Spitze und mittels einer sehr einfach konstruierten, aber in der Schweißtechnik weit verbreiteten Spannzange erfolgt. Bei dieser Spannzange handelt es sich um ein in Längsrichtung geschlitztes Messing- oder Kupferrohr, das an einem Ende einen etwa 1 – 2 mm langen, ca. 60°- bis 90°-Kegel aufweist, der dann, durch Aufbringen einer Längskraft über eine mit einem Gewinde versehene Spannkappe, in eine zugehörige Kegelsenkung im Zwischengehäuse gedrückt wird. Da der Innendurchmesser der Spannzange zumindest für den gemäß Herstelltoleranz größten Elektrodendurchmesser gefertigt werden muß ergibt sich eine echte Klemmung nur für den sehr kurzen, unmittelbaren Kegelbereich.A clear disadvantage in the implementation of the clamping techniques described above, however, is that the electrode clamping is often carried out at a relatively large distance from its thermally highly stressed tip and by means of a very simply constructed collet which is widely used in welding technology. This collet is a longitudinally slotted brass or copper tube, which has an approximately 1 - 2 mm long, approximately 60 ° to 90 ° cone at one end, which is then applied by applying a longitudinal force via a a threaded clamping cap, is pressed into an associated countersink in the intermediate housing. Since the inside diameter of the collet has to be manufactured at least for the largest electrode diameter according to the manufacturing tolerance, there is a real clamping only for the very short, immediate cone area.
Da aber für eine möglichst verlustarme Übertragung des Schweißstroms einerseits und eine möglichst effektive Wärmeabfuhr von der Elektrode andererseits nur über fest an der Elektrode anliegende Kontaktflächen erfolgen kann, wird zumindest bei einer bestehenden Brennerkonstruktion versucht diesem offensichtlich mangelbehafteten Konstruktionsprinzip dadurch entgegenzuwirken, daß ein ebenfalls geschlitzter sog. Elektroden-Führungseinsatz in das Kathodengehäuse eingeschraubt wird, der dann an der Elektrode eine zusätzliche Anlageflächenvergrößerung darstellen soll. Ein weiterer Nachteil des bestehenden Spannsystems ist, daß die erforderliche Schweißstromübertragung vom Kathoden- auf das Zwischengehäuse nur über eine Flankenseite des naturgemäß spielbehafteten gemeinsamen Gewindes erfolgen kann. Um bei diesem Prinzip wenigstens einseitig zu definierten Anlage- und damit Stromübergangsflächen zu kommen, weisen alle derart konstuierten Plasmabrenner im Kathodengehäuses unterhalb des Zwischengehäuses eine lose Druckfeder auf, die über ihre durch Zusammendrücken erzeugte Längskraft das Gewindespiel kompensieren und die Flanken zur Anlage bringen sowie ein selbsttätiges Verstellen der Elektrodenjustierung verhindern soll.But since for a loss-free transmission as possible of the welding current on the one hand and one if possible effective heat dissipation from the electrode, on the other hand, take place only via contact surfaces firmly attached to the electrode can, at least with an existing burner design this obviously defective construction principle to counteract that also slotted so-called electrode guide insert screwed into the cathode housing will then represent an additional increase in contact area at the electrode should. Another disadvantage of the existing clamping system is that the required welding current transmission from the cathode to the intermediate housing only over one side of the naturally playful side common thread can be done. At least with this principle One-sided approach to defined system and thus power transfer areas, all point in this way constituted plasma torch in the cathode housing below the intermediate housing one loose compression spring on that over their by squeezing generated longitudinal force Compensate the thread play and bring the flanks into contact as well as an automatic Prevent adjustment of the electrode adjustment.
Die Elektrode
Vom Stand der Technik ausgehend stellt sich für die Erfindung die Aufgabe einen flüssigkeitsgekühlten Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner, insbesondere WIG- oder Plasmabrenner, unter Verwendung konstruktiv gleicher Elemente für die verfahrensabhängig unterschiedlichen Konstruktionen, und hierfür ein aus konstruktiv und herstellungstechnisch einfachen Teilen und leicht bearbeitbaren, unproblematischen Werkstoffen gefertigtes und in seiner Effektivität erweitertes Kühlsystem, eine verbesserte Plasmadüsenkühlung mit zusätzlicher Kühlung der Düsenspitze ohne das Kühlkanalsystem des Brenners bei einem Düsenwechsel zu öffnen bzw. eine verbesserte Elektrodenkühlung für WIG-Brenner, sowie ein deutlich verbessertes Elektrodenspannsystem für nadelartige Elektroden bei Plasmabrennern zu entwickeln, und damit bei annähernd gleichen oder möglichst klei neren Brennerabmessungen als bisher üblich eine Steigerung der baugrößenspezifischen Strombelastbarkeitsgrenze für WIG- und insbesondere für Plasmabrenner zu realisieren.Based on the state of the art for the invention the task of a liquid-cooled arc welding or cutting torches, in particular TIG or plasma torches, using structurally identical elements for the process-dependent different constructions, and for this one from constructive and manufacturing technology simple parts and easily machinable, unproblematic materials manufactured cooling system that is more effective, with improved plasma nozzle cooling additional Cooling the nozzle tip without the cooling channel system of the burner when changing the nozzle to open or an improved electrode cooling for TIG torches, as well as a significantly improved electrode clamping system for needle-like electrodes To develop plasma torches, and thus at approximately the same or as possible Smaller burner dimensions than usual to increase the size-specific Current carrying capacity limit for TIG and especially for To realize plasma torches.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 gelöst.The task is characterized by the characteristics the independent Expectations 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 and 9 solved.
Als Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung vor, einen flüssigkeitsgekühlten Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, unter Beachtung eines vorgegebenen Konstruktionsprinzips zu entwickeln, und zwar dahingehend, daß die wesentlichen und kostenintensiven Teile bzw. Baugruppen des Anodenbereichs, Kühlsystem und Schutzgasverteilung, baugleich verfahrensübergreifend zur Reduzierung der Herstellungskosten übernommen werden können. Dazu wird das Kühlsystem derart gestaltet, daß die Aufnahmekontur für die Düse im inneren Kühlmantelgehäuse eines Plasmaschweiß- oder schneidbrenners gleichzeitig auch eine optimale Aufnahmemöglichkeit für die Elektrodenspannzange eines WIG-Brenners darstellt. Gleichzeitig wird die der Düsenaufnahme gegenüberliegende Seite dieses, i. d. R. als Anodenteil eines Plasmabrenners verwendeten, Kühlsystems derart ausgebildet, daß anstelle des Isolators als Abgrenzung zum anschließenden Kathodenteil und des Kathodenteils selbst lediglich eine Brennerkappe zur Abdeckung des freien Elektrodenendes bei der so entstandenen WIG-Brennervariante eingesetzt wird. Für diese Elektrodenkappe kann sogar das übliche Anzugsgewinde entfallen, da die Elektrode über die von vorn in den Brenner eingesetzte Spannzange geklemmt wird und gegen einen Lufteintritt in den hinteren Brennerbereich eine O-Ringabdichtung an der Elektrodenabdeckkappe vorgesehen ist. Darüberhinaus kann das für beide Schweißverfahren erforderliche Schutzgasverteilsystem so in das gemeinsame Kühlsystem integriert werden, daß es bei beiden Verfahren eine optimale Schutzgasabdeckung des Schmelzbades gewährleistet.As a solution to the problem, the invention provides to develop a liquid-cooled arc welding or cutting torch, in particular a plasma or TIG torch, taking into account a given design principle, in that the essential and cost-intensive parts or assemblies of the anode area, cooling system and shielding gas distribution, identical in design to processes to reduce manufacturing costs. For this purpose, the cooling system is designed in such a way that the receiving contour for the nozzle in the inner cooling jacket housing of a plasma welding or cutting torch also represents an optimal receiving option for the electrode collet of a TIG torch. At the same time, the side of the cooling system opposite the nozzle receptacle, usually used as an anode part of a plasma torch, is designed in such a way that instead of the insulator as a delimitation to the subsequent cathode part and the cathode part itself, only a torch cap to cover the free electrode end in the TIG torch variant thus created is used. The usual tightening thread can even be omitted for this electrode cap, since the electrode is clamped via the collet inserted into the burner from the front and an O-ring seal is provided on the electrode cover cap to prevent air from entering the rear burner area. In addition, the shielding gas distribution system required for both welding processes can be integrated into the common cooling system in such a way that it guarantees optimum shielding gas coverage of the weld pool in both processes.
Ein wesentliches Merkmal dieses Kühlsystems ist, daß der erste gezielte Wärmeeintrag in das Kühlmedium bereits im unteren Teil des äußeren Kühlmantels und zwar von der Außenseite des Brennersgehäuses her erfolgt. Hierzu wird über eine als Wärmebrücke dienende Anordnung wärmeleitender Bauteile aus größtmöglichster Nähe der thermisch am höchsten belasteten Zonen von Plasma- und WIG-Brennern, also den Plasmadüsenspitzen bzw. den Elektrodenspitzen, ein Wärmestrom zum Aufnahmegewinde der Gasdüse und von dort über nur durch schmale Schutzgaskanäle unterbrochene und großzügig dimensionierte Kontaktflächen an den äußeren, das noch kalte Kühlmedium führenden Kühlmantel und von dort auf das Kühlmittel übertragen. Dieses Konstruktionsmerkmal ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise Plasmadüsen zusätzlich zur Kühlung im hinteren, mit dem Kühlkörper in Innern des Brenners im direkten Kontakt stehenden Teil auch im Bereich der thermisch am stärksten belasteten Düsenspitze, also in der Nähe des Plasmakanals zu kühlen, ohne dabei den Kühlmittelkanal im Brenner, z. B. zum Düsenwechsel, öffnen zu müssen. Dies basiert darauf, daß von der zur Düsenspitze gerichteten kegelartigen äußeren Düsenmantelfläche über die mit gleichem Kegelwinkel gefertigte innere Mantelfläche einer aus wärmeleitendem Material hergestellten Gaslinse Wärme abgezogen und über die aus ebenfalls wärmeleitendem Material gefertigte Schutzgasdüse wie oben beschrieben dem Kühlmittel im äußeren Kühlmantel des Brennerkopfes zugeführt wird, wobei das die wärmeleitende Gaslinse durchströmende Schutzgas diesen Kühleffekt zusätzlich unterstützt, da es bereits beim Durchströmen der Gaslinse einen erheblichen Wärmeaustrag aus der Gaslinse bewirkt.An essential feature of this cooling system is that the first targeted heat input into the cooling medium already in the lower part of the outer cooling jacket from the outside of the burner housing forth. This is done via one serving as a thermal bridge Arrangement of thermally conductive components from the largest possible Near the thermally the highest contaminated zones of plasma and TIG torches, so the plasma nozzle tips or the electrode tips, a heat flow to the receiving thread the gas nozzle and from there over only through narrow protective gas channels interrupted and generously dimensioned contact surfaces to the outer, the cool medium still cold leading cooling jacket and transferred from there to the coolant. This Design feature allows in a particularly advantageous manner, plasma nozzles in addition to cooling in rear, with the heat sink in Inside the burner in direct contact also in the area the thermally strongest loaded nozzle tip, so close to cool the plasma channel, without doing the coolant channel in the burner, e.g. B. to change the nozzle, open have to. This is based on the fact that the tip of the nozzle directed conical outer surface of the nozzle over the manufactured with the same cone angle inner surface of one of thermally conductive Material produced gas lens is withdrawn and over the heat also thermally conductive Protective gas nozzle made of material the coolant as described above in the outer cooling jacket of the burner head is, which is the thermally conductive Gas lens flowing through Inert gas this cooling effect additionally support since it is already flowing through the Gas lens has a significant heat output from the gas lens.
Ein bestmöglicher Wärmeübergang von jedem in den Wärmestrom eingebundenen Bauteil auf das nächste wird dadurch sichergestellt, daß die Schutzgasdüse gleichzeitig auch als Spannelement (Spannmutter) für die durch einen zweiten Kegel im Brennerkopf gehaltene Plasmadüse dient und damit sicherstellt, daß Plasmadüse, Gaslinse und Schutzgasdüse mit den Wärmetauscherflächen des Brennerkopfes, nämlich Gasdüsenaufnahmegewinde und Innenkegel des inneren Kühlmantels (=Aufnahmekegel der Plasmadüse im Brennerkopf) ein intensiv flächig verspanntes System bilden. Vorzugsweise werden als Materialien für die wärmeleitende Schutzgasdüse möglichst reines Aluminiumoxid oder Aluminium mit einer zur elektrischen Isolation entsprechend dicken Eloxalschicht verwendet. Für die Gaslinse ist wegen der zusätzlichen mechanischen Beanspruchung die Verwendung von gasdurchlässiger Sinterbronze oder eines entsprechend geformten hohlen Metallkörpers, der die Trag- und Spannfunktion übernimmt, mit eingelegten Sieben bzw. eingelegtem Metallflies vorgesehen.The best possible heat transfer from everyone to the heat flow integrated component to the next is thereby ensured that the protective gas nozzle at the same time also as a clamping element (clamping nut) for the through a second cone Plasma nozzle held in the burner head serves and thus ensures that the plasma nozzle, gas lens and protective gas nozzle with the Heat exchanger surfaces of the Burner head, namely Gas nozzles receiving thread and inner cone of the inner cooling jacket (= Cone of the plasma nozzle in the burner head) an intensely flat form a tense system. Preferably used as materials for the thermally conductive Shield Cup preferably pure aluminum oxide or aluminum with one for electrical insulation correspondingly thick anodized layer used. For the gas lens is because of additional mechanical stress the use of gas permeable sintered bronze or a correspondingly shaped hollow metal body, which takes over the carrying and tensioning function, provided with inserted sieves or inlaid metal tiles.
Die Plasmadüse ist nach diesem Vorschlag also derart ausgebildet, daß in ihrer geometrisch einfachsten Form einem mit der Gaslinse in Kontakt stehenden und zur Düsenspitze zeigenden Kegel ein zweiter gegenüberliegend angeordnet ist, wobei dieser zweite Kegel mit seiner Fußkreisfläche an der Fußkreisfläche des anderen Kegels anliegt und somit die Kegelspitzen voneinander wegzeigen. Diese, den Namen Doppelkegeldüse bzw. -spannzange prägende Form, kann funktionsgleich variiert werden, und zwar derart, daß an dem aus dem Brennerkopf herausragenden Teil zusätzlich zum Kegel ein zylindrischer Ansatz mit einer Stirnfläche für ein als Spannelement dienendes Bauteil oder nur eine zylindrische mit einer Anlagefläche versehene Kontur angebracht ist. Weitere geeignete Formgebungsvarianten anstelle des oben beschriebenen geradlinigen Kegels sind rotationssymmetrische Konturen, deren stetige Konturerweiterung durch mathematische Gleichungen höherer Ordnung beschrieben sind und sinnvolle Kombinationen aller vorgenannten Möglichkeiten.According to this proposal, the plasma nozzle is therefore trained such that in in its geometrically simplest form one comes into contact with the gas lens standing and to the tip of the nozzle cone pointing is arranged a second opposite, this second cone with its base circular surface on the base circular surface of the other cone and thus point the cone tips away from each other. This, the name double cone nozzle formative or collet Form, can be varied functionally, in such a way that on the part protruding from the burner head, in addition to the cone, a cylindrical one Approach with an end face for a serving as a clamping element or only a cylindrical one a contact surface provided contour is attached. Other suitable shapes instead of the straight cone described above are rotationally symmetrical Contours, whose continuous contour expansion through mathematical equations of higher order are described and useful combinations of all of the above Possibilities.
Durch das beschriebene sog. Doppelkegelprinzip wird auf vorteilhafte Weise sichergestellt, daß sich die beweglichen Brennerteile, insbesondere Plasmadüse bzw. Elektrodenspannzange beim WIG-Brenner und Gaslinse, beim Spannen selbsttätig zueinander und zur Brennerachse zentrisch ausrichten.Through the so-called double-cone principle described it is advantageously ensured that the movable burner parts, especially plasma nozzle or electrode collet for the TIG torch and gas lens, automatically when clamping to each other and align it centrally to the burner axis.
Ein weiterer hervorzuhebender Vorteil dieser Doppelkegeldüse ist dadurch gegeben, daß, im Vergleich zu herkömmlichen Einschraubdüsen mit etwa gleichem Außendurchmesser, die im Brennerkopf verspannte Kegelmantelfläche dieser hier vorgestellten neuen Düse eine weitaus größere Kontaktfläche zur Wärmeableitung an das innere Kühlsystem aufweist.Another important advantage of this double cone nozzle is that, compared to conventional screw-in nozzles with approximately the same outside diameter, the conical surface of the new nozzle presented in the burner head has a much larger contact surface for heat dissipation to the internal cooling system has.
Diese größere Kontaktfläche und damit intensivere Düsenkühlung sowie die zusätzliche oben beschriebene Wärmeableitung von der Düsenspitze über die Gaslinse ermöglichen als nächsten Vorteil nicht nur eine höhere Düsenstandzeit sondern auch eine Steigerung der zulässigen Stromstärken in Bezug auf die Durchmesser der Plasmakanäle in den Plasmadüsen. In Verbindung mit dem in seiner Effektivität gesteigerten doppelschaligen inneren Brennerkühlsystem wird gleichzeitig auch die zulässige Strombelastbarkeitsgrenze für Plasmabrenner dieser Baugröße verbessert.This larger contact area and thus more intensive nozzle cooling as well the additional heat dissipation described above from the nozzle tip over the Enable gas lens next Advantage not just a higher one Die life but also an increase in the allowable amperages in Relation to the diameter of the plasma channels in the plasma nozzles. In Combination with the increased effectiveness of the double-shell internal burner cooling system also the permissible current load limit for plasma torches this size improved.
Die Handhabung eines Plasmaschweiß- oder -schneid- bzw. WIG-Brenners im täglichen Einsatz wird dadurch verbessert, daß wie bei dem oben beschriebenen Düsen- bzw. Elektrodenspannsystem für einen Düsen- oder Elektrodenwechsel, der üblicherweise auch von der Brennervorderseite vorgenommen wird, nur noch ein Gewinde gelöst werden muß, um an die zum Austausch vorgesehenen Brennerteile zu gelangen. Der gleiche erheblich Rüstzeit einsparende Vorteil ergibt sich auch bei der Wiedermontage des Brenners.Handling a plasma welding or cutting or TIG torch in everyday Use is improved by the fact that as described above nozzle or electrode clamping system for a jet or changing electrodes, which is usually is also made from the front of the burner, only one thread solved must become, to access the burner parts intended for replacement. The same significantly saving set-up time There is also an advantage when reassembling the burner.
Für das Lösen und die einwandfreie Festlegung des Spanngewindes an der Schutzgasdüse und damit der Plasmadüse ist kein Werkzeug erforderlich, da der Außendurchmesser und die Oberflächenstruktur der Schutzgasdüse durch ihre konstruktive Gestaltung das Einbringen eines genügend großen Drehmoments in den Spannmechanismus ermöglichen ohne, daß die bei Einschraubsystemen aufgrund von Werkzeuggebrauch oft beobachteten Beschädigungen an Brenner oder Düse auftreten. Für die Wartung und den praktischen Einsatz der Brenner ist es vorteilhaft, daß bei dem vorgestellten System die Gaslinse als loses Einzelteil vorliegt und dadurch, z. B. bei Verschmutzung, problemlos und ohne Zeitaufwand jederzeit ausgewechselt werden kann. Für den Fall, daß die Schweißaufgabe eine Gaslinse mit einer speziellen Gasdurchlässigkeit verlangen sollte, kann auch ein solches Teil ohne Zeitverlust problemlos in das System eingelegt werden.For the loosening and the correct fixing of the clamping thread on the shielding gas nozzle and thus the plasma nozzle No tool is required because of the outside diameter and surface texture the shielding gas nozzle through its constructive design, the introduction of a sufficiently large torque allow in the tensioning mechanism without the Damage often observed in screw-in systems due to tool use on burner or nozzle occur. For the maintenance and practical use of the burners, it is advantageous that at the presented system the gas lens is available as a loose part and thereby, e.g. B. when dirty, easily and without spending time can be replaced at any time. In the event that the welding task should request a gas lens with a special gas permeability, even such a part can be easily inserted into the system without wasting time be inserted.
Alle vorgenannten Vorteile, wie sie sich insbesondere aus der sog. Doppelkegelform der Plasmadüse und der neuartigen zusätzlichen Wärmeableitung von der vorderen Düsenkontur ergeben, sind auch unabhängig von der koaxialen Kühlkammeranordnung auf die Konstruktion von WIG-Brennern übertragbar, wenn anstelle der "doppelkegeligen" Plasmadüse eine als sog. Doppelkegel ohne Einschraub- oder sonstige Anzugsgewinde ausgebildete Elektrodenspannzange in den Aufnahmekegel eines entsprechenden, für das WIG-Verfahren konzipierten Brennerkopfes eingesetzt wird.All of the above benefits as they derives in particular from the so-called double cone shape of the plasma nozzle and the novel additional heat dissipation from the front nozzle contour result are also independent from the coaxial cooling chamber arrangement transferable to the design of TIG torches if one instead of the "double-cone" plasma nozzle as a so-called double cone without screw-in or other tightening thread trained electrode collet in the receiving cone of a corresponding, for the TIG process designed torch head is used.
Das als Stand der Technik beschriebene in Längsrichtung verstellbare Elektrodenspannsystem wird dadurch entscheidend verbessert, daß eine massive, mit einem besonders langen und schlanken Kegel ausgestattete geschlitzte Spannzange in ein längsverstellbares Spannzangengehäuse eingesetzt wird. Dieses Spannzangengehäuse ist in seinem Aufnahmekonusbereich geschlitzt und wird über ein zur Längsverstellung genutztes Gewinde im Kathodengehäuse des Plasmabrenners geführt. Das Anziehen und Lösen der Spannzange erfolgt über eine im Spannzangengehäuse über ein feingängiges Gewinde geführte Spannkappe, die gleichzeitig ein mit dem Spannzangengewinde übereinstimmendes Innengewinde mit großer Steigung aufweist. Durch das Einschrauben der Spannkappe in das Spannzangengehäuse über das feingängige Gewinde wird die, in die Spannkappe vorher bereits eingeschraubte Spannzange, durch die gleichzeitige Drehung des grobgängigen Gewindes um den Differenzbetrag beider Gewindesteigungen in den Spannkonus gezogen. Dieser Differentialschraubtrieb erzeugt durch die Drehung der Spannkappe eine hohe Längskraft, die dazu führt, daß der schlanke Spannzangenkegel das geschlitzte Aufnahmegehäuse spreizt, welches sich dadurch mit seinem langen Verstellgewinde mit dem Innengewinde des Kathodengehäuses fest verspannt. Bedingt durch den langen und besonders schlanken Spannzangenkegel erreicht der Spannmechanismus im Kegelbereich Selbsthemmung, die aber zum Lösen des Systems durch umgekehrte Drehung der Spannkappe über den Differentialschraubtrieb wieder aufgehoben werden kann. Während der intensiven Verspannung des Systems im Selbsthemmungszustand legt sich das Außengewinde des gespreizten Spannzangengehäuses mit dem vollen Gewindeprofil in das Gegengewinde des Kathodengehäuses und gewährleistet somit zusammen mit den anderen fest verspannten Kontaktflächen einen optimalen Stromübergang vom Kathodengehäuse zur Elektrode und einen maximalen Wärmeabfluß von der Elektrode in die umgekehrte Richtung. Die Spannzange ist derart dimensioniert, daß sie die Elektrode bereits am unteren Ende des tief in das Kathodengehäuse eingeschraubten Spannzangenaufnahmegehäuses spannen kann, was den Wärmeabfluß von der Elektrode zusätzlich begünstigt und über die große Elektrodennachschleiflänge bei den Betriebskosten einen wirtschaftlichen Vorteil bedeutet.That described as prior art longitudinal adjustable electrode clamping system is significantly improved, that a massive, slotted with a particularly long and slim cone Collet in a length adjustable Collet housing is used. This collet housing is in its receiving cone area slotted and is over one for longitudinal adjustment used thread in the cathode housing of the plasma torch. Tightening and loosening the collet is made via one in the collet housing over one fine pitch Thread guided Clamping cap, which also coincides with the collet thread Internal thread with large Has slope. By screwing the tension cap into the Collet housing over the finely common The collet that has already been screwed into the clamping cap becomes thread through the simultaneous rotation of the coarse thread by the difference both thread pitches pulled into the clamping cone. This differential screw drive generates a high longitudinal force due to the rotation of the clamping cap leads to that the slim collet cone spreads the slotted housing, which is due to its long adjustment thread with the internal thread of the cathode housing tight. Due to the long and particularly slim Collet taper reaches the clamping mechanism in the cone area self-locking, but to solve the system by turning the clamping cap in reverse Differential screw drive can be canceled again. During the intense The external thread tensions the system in the self-locking state of the expanded collet housing with the full thread profile in the counter thread of the cathode housing and guaranteed thus one together with the other firmly clamped contact surfaces optimal current transfer from the cathode housing to the electrode and a maximum heat flow from the electrode into the reverse direction. The collet is dimensioned so that it is the electrode already screwed deep into the cathode housing Collet receiving housing can span what the heat flow from the Additional electrode favored and about that size Elektrodennachschleiflänge an economic advantage in terms of operating costs.
In den Zeichnungen
Der flüssigkeitsgekühlte Plasmabrennerkopf nach
Dieser Plasmaschweiß- oder
-schneidbrenner weist durch die Anwendung einer sog. Doppelkegelkontur
für die
Plasmaschweiß-
oder -schneiddüse
Als Spannelement für die nadelartige, schwer
schmelzende Plasmaelektrode
In
- 11
- Brennerkörpertorch body
- 22
- Kathodenbereich bei Plasmabrennern, wenn Elektrode am – Pol anliegtcathode region with plasma torches if the electrode is at the pole
- 33
- Anodenbereich bei Plasmabrennern, wenn Elektrode am – Pol anliegtanode region with plasma torches if the electrode is at the pole
- 44
- Isolatorinsulator
- 55
- Inneres KühlmantelgehäuseInterior Cooling jacket housing
- 66
- Aufnahmekonusreceiving cone
- 77
- DoppelkegeldüseDoppelkegeldüse
- 88th
- Trennmantelscreen mantle
- 99
- Äußeres KühlmantelgehäuseOuter cooling jacket housing
- 1010
- SchutzgasdüsenaufnahmeProtective gas nozzle receptacle
- 1111
- SchutzgasdurchlaßkanalSchutzgasdurchlaßkanal
- 1212
- Innere SchutzgasverteilkammerInner Schutzgasverteilkammer
- 1313
- SchutzgaszuführungsrohrInert gas supply pipe
- 1414
- SchutzgasdüseShield Cup
- 1515
- Gaslinsegas lens
- 1616
- Dichtungpoetry
- 1717
- Kunststoffummantelung des BrennerkörpersPlastic sheathing of the burner body
- 1818
- Äußere SchutzgasverteilkammerOuter shielding gas distribution chamber
- 1919
- Greifrillecross groove
- 2020
- KühlmittelaustrittsrohrCoolant outlet pipe
- 2121
- KühlmitteleintrittsrohrCoolant inlet pipe
- 2222
- Äußerer KühlmantelOuter cooling jacket
- 2323
- UmlenkschlitzeUmlenkschlitze
- 2424
- Innerer Kühlmantelinner cooling jacket
- 2525
- Elektrodeelectrode
- 2626
- PlasmagaskanalPlasma gas channel
- 2727
- Zentrierrohrcentering
- 2828
- Elektrodenspannzange für PlasmaelektrodeElectrode clamps for plasma electrode
- 2929
- Spannkappeclamping cap
- 3030
- SpannzangenaufnahmegehäuseCollet receiving housing
- 3131
- Kathodengehäusecathode housing
- 3232
- PlasmagaszuleitungsrohrPlasma gas supply pipe
- 3333
- Doppelkegel-Elektrodenspannzange für WIG-BrennervarianteDouble Cone electrode clamp for TIG torch variant
- 3434
- ElektrodenabdeckkappeElektrodenabdeckkappe
- 3535
- Druckfedercompression spring
- 3636
- Elektroden-FührungseinsatzElectrode guide insert
- 3737
- Plasmadüse n. d. St. d. TechnikPlasma nozzle n.d. Hours. technology
- 3838
- Spannzange n. d. St. d. Technikcollet n. d. Hours. technology
- 3939
- Zwischengehäuse n. d. St. d. TechnikIntermediate housing n. Hours. technology
- 4040
- Einschaliges Kühlsystem für flüssige Kühlmedien n. d. St. d. TechnikSingle-leaf cooling system for liquid cooling media n. d. Hours. technology
- 4141
- Gaslinsensiebe n. d. St. d. Technik, durch Federring gehaltenGas-lens filters n. d. Hours. Technology, held by spring washer
Anmerkung zu den Bezugszeichennummern
Die
Begriffe Kathodenbereich
The terms cathode area
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