DE19851190C1 - Stromkontaktdüse zum Metall-Lichtbogenschweißen - Google Patents

Abstract

Zweiteilige bekannte Stromkontaktdüsen, die von einem Schutzrohr aus Stahl umgeben sind und deren Zentrierabstand mit einer Hülse aus polymerem Werkstoff umgeben wurde. Durch die hohen thermischen Belastungen dieses Werkstoffes im inneren Schutzrohr daher eine Verkrustung eingetreten ist. Durch den fließenden hohen Strom der Schweißdrahtelektrode in dem aus Stahl bestehenden Schutzrohr trat ein stromabhängiges anderes elektromagnetisches Feld auf, welches den Schweißprozeß vom Lichtbogen störend beeinflußt. DOLLAR A Wesentlich für die Erfindung ist die einteilige Ausführung vom Elektrodenführungsrohr (7), umgeben mit einem Isolierrohr (5) aus einem Glimmerwerkstoff, der den hohen thermischen Betriebsbelastungen standhält, sowie einem äußeren Hüllrohr (6) aus Kupfer, die gegen einen wesentlichen Teil der auftretenden Biege- und Knickmomente und magnetischen Feldern entgegenwirken. DOLLAR A Die so ausgeführte Stromkontaktdüse eignet sich für extreme Baustelleneinsätze z. B. zum Engspaltschweißen von Schienenstahlprofilen mit selbstschützenden Fülldrahtelektroden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromkontaktdüse für das Metall-Lichtbogenschweissen mit und ohne Schutzgas, insbesondere aber für das Engspaltschweissen. Sie eig­ net sich für das Schweissen mit massiven Drahtelektroden oder aber auch für das Schweissen mit selbstschützenden Fülldrahtelektroden.

Es ist hinreichend bekannt, welcher thermischer und mechanischer Belastung Stromkontaktdüsen für das schutz­ gas-Lichtbogenschweissen ausgesetzt sind. Das trifft im besonderen Maße für das Engspaltschweissen zu: Hier po­ tenziert sich die Belastung der Stromkontaktdüse inso­ weit, als die Wärmeabführung aus dem Schweissspalt na­ turgemäß besonders schlecht ist.

Eine zusätzliche Kühlung des Schweissbrenners, zum Bei­ spiel durch Wasser, kann in der Regel nicht in betracht gezogen werden, da sich eine größere Dimensionierung des Schweissbrenners beim Engspaltschweissen in aller Regel verbietet. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, dieses Problem durch eine konstruktive Optimierung der Brenner­ systeme, insbesondere der Stromkontaktdüse zu lösen. Dazu waren zwei Gesichtspunkte zu berücksichtigen: Eine hohe mechanische Belastungsfähigkeit - bedingt durch den Einsatz im Baustellenbereich - und das physi­ kalische Problem der maximalen Wärmeabführung von den Schweissbrennerbauteilen.

So wird nach DE-GM 296 17 109 vorgeschlagen, das Strom­ zuführungsrohr, also das vom Elektrodendraht durchlau­ fende Bauelement, abschnittsweise mit einem oder mehre­ ren Schutzringen aus einem hochwärmebeständigen Werk­ stoff zu umgeben um so einen radialen Abstand zu einer Schutzummantelung zu erhalten, die, wie es das Gebrauchs­ muster ausweist, aus einem Metallrohr, insbesondere einem Stahlrohr besteht.

Außerdem ist in dem DE-GM 296 17 109 auch eine Stromkontakt­ düse zum Lichtbogenschweissen mit massiven Drahtelektroden mit oder ohne Schutzgas oder mit selbstschützenden Füll­ drahtelektroden, für das Engspaltschweissen von Schienen­ stahlprofilen, angegeben, die von einer einstückigen Iso­ lierstoffummantelung, die ihrerseits von einem äußeren Schutzrohr in voller Länge aufgenommen ist, teilweise oder wahlweise auch derart umhüllt ist, dass lediglich das An­ schlussgewinde für eine am Elektrodenaustrittsende der Stromkontaktdüse angeordnete hochtemperaturfeste isolie­ rende Düsenschutzkappe und das für die Verschraubung der Stromkontaktdüse mit der Schweisspistole vorgesehene An­ schlussgewinde unbedeckt sind.

Diese Lösung erscheint zunächst logisch, soweit sie ein preisgünstiges Brennerrohr herzustellen gestatten könnte. Aber gerade die Werkstoffauswahl lenkt vom eigentlichen Problem ab: Es zeigt sich, dass bei einer derartigen Kon­ struktion ein nur unruhiger, den Schweissprozeß benach­ teiligender Lichtbogen einstellbar ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, sowohl die thermische und mechanische Beständig­ keit der Stromkontaktdüse wesentlich zu verbessern, als auch den Schweissprozeß durch einen reproduzierbaren Schweissparameterverlauf, der durch den stabilen Licht­ bogen während des gesamten Prozesses dargestellt wird, zu sichern.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung sieht eine optimale Werkstoffauswahl für die einzelnen Konstruktionselemente vor, welche vom Stand der Technik auch bei Abstraktion der allgemeinen Aussagen nicht vorhersehbar war. Ausgehend von der notwendigerweise aus einem hochleitfähigen Werkstoff bestehenden Stromkon­ taktdüse aus einer Kupferlegierung, welche aber bekannter­ weise bei der hohen thermischen Belastung mechanisch in­ stabil wird, kommt einer Isolierummantelung eine besondere Bedeutung zu.

Mit der Erfindung wird auf einen Isolierwerkstoff zurück­ gegriffen, der den Vorteil der thermischen Beständigkeit für den vorliegenden Anwendungsfall, wie auch die mechani­ sche Stabilisierung der Stromkontaktdüse im vollen Umfang gewährleistet und darüber hinaus eine preisgünstige Alter­ native zu den schlagempfindlichen keramischen Isolierwerk­ stoffen darstellt. Dieser Isolierwerkstoff auf der Basis eines silikon- und/oder kunstharzgebundenen Glimmers er­ füllt theoretisch und praktisch alle Erwartungen an die Zuverlässigkeit des Systems. Das gilt jedoch nur dann, wenn die gesamte Länge der Stromkontaktdüse von diesem Isolier­ stoff umfasst wird.

Schließlich wird durch die Erfindung ein instabiler Schweiss­ prozeß - hervorgerufen durch einen unruhigen Schweisslicht­ bogen - vermieden.

Die Erfindung geht davon aus, dass das äußere metallische Schutzrohr einen wesentlichen Einfluss auf die Lichtbogen­ führung besitzt.

Durch den über die Schweisselektrode fließenden hohen Strom wird in einem aus Stahl bestehenden Schutzrohr, bedingt durch die unregelmäßigen Stromübergänge im Kontaktrohr ein schwankendes elektromagnetisches, konzentrisches Feld indu­ ziert. Dieses Feld ist offenbar infolge der Lorentz-Kraft eine Ursache für die Instabilität des Lichtbogens; eine Ursache, die bisher noch nicht in betracht gezogen worden ist, weshalb auch offenbar eine exakte Definition des Werk­ stoffes für das Schutzrohr unterblieb. Wesentlich für die Erfindung ist die einstückige Ausführung von Stromkontakt­ düse und äußerem Hüllrohr aus Kupfer und die Ausbildung der Isolierstoffummantelung aus silikon- oder kunstharz­ gebundenen Glimmerlamellen, deren Längenausdehnung sich bis auf die notwendigen Anschlussgewinde für Düsenkappe und Verschraubung der Schweisspistole erstreckt.

Durch diese Maßnahme konnte gewährleistet werden, dass die Stromkontaktdüse einer extremen Biegebeanspruchung bei gleichzeitiger thermischer Belastung widersteht, da der silikon- oder kunstharzgebundene Glimmer einen wesent­ lichen Teil der auftretenden Biege- und Knickmomente, die auf die Stromkontaktdüse einwirken im vollen Umfang auf­ nimmt und im Gegensatz zu den Konstruktionen des Standes der Technik keine mechanischen Schwachstellen entstehen. Es ist ein Vorteil, im Mittelabschnitt der Stromkontakt­ düse eine radiale schlitzartige Ausnehmung anzuordnen. Sie bewirkt folgendes: Die Drahtelektrode biegt sich laufend - infolge ihrer Reibung im Innern der Führungs­ düse - um einen geringen Betrag hin zur Düsenwandung, er­ höht damit die Kontaktkraft zur Stromdüse und verringert folglich den Übergangswiderstand in diesem Bereich. Die Folge ist eine geringere Stromerwärmung der Stromkontakt­ düse und gleichzeitig eine Selbstreinigung des Strom­ übergangsbereiches zwischen Drahtelektrode und Strom­ kontaktdüse.

Radial verlaufende Ausnehmungen zur Reinigung von Draht­ elektroden sind aus dem DE-GM 68 11 289 bekannt, in der eine Schweisskontaktdüse mit einer Schutzhaube aus PTFE beschrieben ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert:

Bei der Stromkontaktdüse 7 handelt es sich um ein System zur Führung der Drahtelektrode 10. Die Stromkontaktdüse 7 wird von einer nicht weiter dargestellten Schweisspistole 1 über ein entsprechendes Anschlussgewinde 2 aufgenommen, welches aus einem Zwischenstück besteht, das andererseits ein Anschlussgewinde 4 für die Stromkontaktdüse 7 besitzt. Die aus Kupfer bestehende, die Drahtelektrode 10 aufneh­ mende Stromkontaktdüse 7 ist einstückig ausgeführt, um eine für den praktischen Gebrauch erforderliche hohe Biegefes­ tigkeit zu sichern, die bei einer mehrteiligen Ausführung in keiner Weise gewährleistet ist. Das gleiche gilt für die Isolierummantelung 5, welche aus silikon- oder kunstharzge­ bundenen Glimmerlamellen besteht. Dieser Werkstoff besitzt überraschenderweise eine gewisse Teilelastizität bei hoher mechanischer Festigkeit, wodurch neben der hervorragenden Isoliereigenschaft eine maximale Stützwirkung der Strom­ kontaktdüse 7 zu erzielen ist. Gegenüber keramischer, bruchempfindlicher Umhüllungen kann damit die Gebrauchs­ dauer des Systems wesentlich verbessert werden.

Die Isolierummantelung 5 wird ihrerseits von einem Schutz­ rohr 6 umhüllt. Das Schutzrohr 6 besteht aus Kupfer. Im Gegensatz zu den dem Stand der Technik zuzuordnenden Lö­ sungen von Schutzrohren aus Stahl, treten keine störenden elektromagnetischen Felder auf, die zur Instabilität des Schweisslichtbogens führen.

Andererseits ist durch die Kombination der beschriebenen Isolierummantelung 5 und des aus Kupfer bestehenden Schutz­ rohres 6 eine maximale Stabilität gewährleistet, welche beim Einsatz keramischer, d. h. bruchempfindlicher Isolier­ werkstoffe bisher nicht erreicht worden ist.

Wesentlich für die Konstruktion ist es, dass sich sowohl das Schutzrohr 6 als auch die Isolierummantelung 5 über eine maximale Länge der Stromkontaktdüse 7 erstreckt.

Lediglich der Bereich des Anschlussgewindes 4 zur Strom­ kontaktdüse 7, dessen Schraubelement durch eine Isolier­ hülse 3 abgedeckt ist sowie das Anschlussgewinde 8 zum Aufschrauben der Düsenkappe 9 sind unbedeckt.

Die Düsenkappe 9 besteht in bekannter Weise aus einem hochtemperaturfesten isolierenden Werkstoff.

Eine weitere technische Maßnahme besteht darin, dass in der Stromkontaktdüse 7, vorzugsweise in dessen Mittel­ abschnitt eine einseitige zum Innendurchmesser verlaufende radiale schlitzartige Ausnehmung 11 vorgesehen ist. Sie hat die Wirkung, dass die Drahtelektrode sich durch ihre Reibung im Inneren der Stromkontaktdüse 7 und am Draht­ austritt laufend krümmt, sich damit in die schlitzartige Ausnehmung einschiebt und somit neben einem Selbstreini­ gungseffekt eine bessere Stromübertragung auf die Strom­ kontaktdüse 7 sich einstellt.

Bezugszeichenliste

1

Schweisspistole

2

Anschlussgewinde zur Schweisspistole

1

3

Isolierhülse

4

Anschlussgewinde an der Stromkontaktdüse

7

5

Isolierstoffummantelung

6

Schutzrohr

7

Stromkontaktdüse

8

Anschlussgewinde zur Düsenschutzkappe

9

9

Düsenschutzkappe

10

Drahtelektrode

11

Ausnehmung

Claims (2)

1. Stromkontaktdüse zum Lichtbogenschweissen mit massiven Drahtelektroden mit oder ohne Schutzgas oder mit selbst­ schützenden Fülldrahtelektroden, vorzugsweise für das Engspaltschweissen von Schienenstahlprofilen, wobei die Stromkontaktdüse von einer insbesondere einstückigen Isolierstoffummantelung, die ihrerseits von einem äußeren Schutzrohr in voller Länge aufgenommen ist, so umhüllt ist, dass lediglich das Anschlussgewinde für eine am Elektrodenaustrittsende der Stromkontaktdüse angeordnete hochtemperaturfeste isolierende Düsenschutzkappe und das für die Verschraubung der Stromkontaktdüse mit der Schweisspistole vorgesehene Anschlussgewinde unbedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass

• a) die Stromkontaktdüse (7) einteilig aus einer Kupfer­ legierung hergestellt ist,
• b) die Isolierstoffummantelung (5) aus silikon- oder kunstharzgebundenen Glimmerlamellen, und
• c) das äußere Schutzrohr (6) aus einer Kupferlegierung besteht.

2. Stromkontaktdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt der Stromkontaktdüse (7) eine ein­ seitige radial verlaufende schlitzartige Ausnehmung (11) aufweist.