DE19934367A1 - Verfahren zum Kühlen eines Schweiß- oder Schneidbrenners sowie Kühlsystem hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Schweiß- oder Schneidbrennern (3) sowie ein Kühlsystem hierfür, mit einer Pumpe (1), einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmedium und einem Wärmetauscher, wobei erfindungsgemäß die umlaufende Kühlmedienmenge konstant gehalten oder geregelt wird. Dadurch wird der Einfluß geknickter Schläuche oder unterschiedlicher Höhen des Brenners (3) oder dergleichen Störparameter eliminiert (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Schweiß- oder Schneidbrenners mit einem eine Pumpe, einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmedium und einem Wärmetauscher aufweisenden Kühlsystem sowie Kühlsystem zur Durchführung des Verfahrens.

Solche Kühlsysteme werden insbesondere bei Schweißrobotern eingesetzt. Um die Roboter-Stillstandszeiten, insbesondere beim Metallschutzgasschweißen, so gering wie möglich zu halten, müssen vorrangig die Standzeiten der Brenner- Primärverschleißteile, wie beispielsweise der Kontakt- beziehungsweise Stromdüsen sowie der Gasdüsen, so hoch wie möglich sein, d. h. diese für den Prozeßverlauf kritischen Bauteile müssen unterhalb einer konstanten, definierten Temperatur gehalten werden. Die Kontakt- oder Stromdüse darf die Erweichungstemperatur der jeweiligen Metallegierung nicht überschreiten, wenn ein "Auslaufen" der Bohrung verhindert werden soll, was eine unkontrollierte Drahtelektrodenführung hinsichtlich des Tool Center Points (TCP), d. h. des Referenzpunktes des Werkzeuges, zur Folge hätte. Dies würde die Wiederholbarkeit beeinträchtigen. Die Gasdüse sollte auf einer Temperatur gehalten werden, die eine Anhaftung von Schweißspritzern minimiert, jedoch eine Kondensatbildung innerhalb des Gasaustrittsraums verhindert, um eine mögliche Porenbildung in der Schweißnaht zu vermeiden.

Bekannt für die Kühlung flüssigkeitsgekühlter Schweiß- und Schneidbrenner ist üblicherweise ein in der jeweiligen Stromquelle eingebautes Kühlaggregat, bestehend aus einem Kühlmittelbehälter, einer Pumpe und einem Wärmetauscher, der im Luftstrom eines für die Stromquellenkühlung erforderlichen Lüfters plaziert ist. Möglich ist ebenso ein separates Kühlgerät mit den vorstehend beschriebenen Komponenten oder alternativ ein separater "Rückkühler".

Zum Schutz der Schweißbrenner als solchem - jedoch nicht zum Schutz der primären Verschleißteile wie beispielsweise der Kontaktdüse - ist es auch bekannt, entweder die Rücklauftemperatur zu erfassen oder mittels eines Durchflußwächters eine Aussage über mangelnden Durchfluß zu erhalten. Wenn der Durchflußwächter anspricht, wird die Stromquelle abgeschaltet.

Das Problem bei diesem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist die Tatsache, daß alle Schweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere die in jedem durch Roboter automatisierten Prozeß eingesetzten Geräte auf Grund der jeweils marktüblichen, beziehungsweise anwenderspezifischen Kühlart, d. h. entsprechend der prozeßabhängigen, unterschiedlichsten Brennerpositionen, auch stets unterschiedlich gekühlt werden. Verantwortlich dafür sind unter anderem ein mögliches Abknicken der Schlauchpakete in bestimmten Positionen, die unterschiedlichsten Druckgefälle innerhalb der kompletten Verbindung zwischen Brenner und Kühlaggregat oder die unterschiedlichsten, sich ständig ändernden Förderhöhen. Durch die unterschiedlichen Positionen des Brenners ändert sich die "Wassersäule" am Brenner, das heißt, das Druckgefälle. Daraus resultieren sich ständig ändernde Volumenströme sowie wechselnde Strömungsgeschwindigkeiten des flüssigen Kühlmittels. Bei den bisher meist standardmäßig verwendeten Kreiselpumpen führt das dazu, daß, wenn die "Wassersäule" höher ist, die Strömungsgeschwindigkeit gegenüber einem Referenzpunkt bei gleichem Druck geringer ist, so daß die Temperatur des Kühlmittels ansteigt. Damit liegen die Primärverschleißteile ebenfalls auf einem höheren Temperaturniveau, wodurch sich die Standzeit dieser Teile reduziert.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren zum Kühlen eines Schweiß- oder Schneidbrenners sowie ein Kühlsystem vorzuschlagen, welches unabhängig von der Stellung des Brenners diesen stets so kühlt, daß unerlaubt hohe Temperaturen zuverlässig vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Kühlsystem mit Merkmalen des Anspruches 4. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird die umlaufende Kühlmedienmenge konstant gehalten oder geregelt, wodurch der Brenner in den unterschiedlichsten Stellungen immer ausreichend Kühlmedium erhält.

Als Pumpe und/oder als Dosierpumpe - falls zwei Pumpen verwendet werden, wobei eine die Grundversorgung und die andere die Feinversorgung übernimmmt - sind bevorzugt hydrostatische Pumpen, wie eine Gerotorpumpe, eine Zahnradpumpe oder eine Axialkolbenpumpe, vorgesehen. Solche Pumpen haben den Vorteil, daß die Regelung der Durchflußmenge sowie des Systemdruckes sensitiver ausgestaltbar ist, da diese Pumpen ein definiertes Hubvolumen aufweisen. Bei geeigneter Regelung ist jedoch auch der Einsatz von hydrodynamischen Pumpen möglich.

In einer Ausführung der Erfindung sind sowohl ein Temperaturfühler im Zulauf als auch ein Temperaturfühler im Rücklauf angeordnet, so daß die gemessene Temperaturdifferenz als Regeleingangsgröße verwendet werden kann. Die Temperaturdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf gibt ein zuverlässiges Maß für die Wärmebelastung der wärmeempfindlichen Bauteile. Abknickungen oder Verminderungen des Durchflusses - und die daraus resultierenden Erhöhungen der Rücklauftemperatur - führen sofort zu einer meßbaren Größe, die es erlaubt, den Durchfluß zu erhöhen, den Druck zu erhöhen oder sonstige Maßnahmen zur Verstärkung der Kühlung zu treffen. Der erfindungsgemäße Kühlkreislauf kann neben der hydrostatischen Pumpe einen temperaturgeregelten Rückkühler enthalten.

Als Parameter für die Regelung können also die Vorlauf- und die Rücklauftemperatur des Kühlmediums sowie - in einer weiteren Ausführung - auch der Druck des Kühlmediums im Vorlauf eingehen. Die Druckmessung steuert dann zum Beispiel die Pumpe an, um bei unterschiedlichsten Stellungen des Brenners konstante, eben die benötigten, Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmediums zu garantieren. Zu beachten ist aber auch, daß die Vorlauftemperatur nicht zu niedrig sein darf, da anderenfalls Kondensatbildung im Brenner auftreten kann mit der Folge, daß feuchtes Gas entsteht. Um dies zu vermeiden, sollte das Kühlmedium beim Eintritt in den Brenner also auch stets eine definierte Mindesttemperatur haben.

Aufgrund des am Brenner anstehenden Lichtbogens besteht zwischen der Temperatur des Vorlaufes und der des Rücklaufes eine Temperaturdifferenz ΔT. Wenn beispielsweise die Kontaktdüse im Brenner eine Temperatur von 400°C anstelle von 300°C erreicht, steigt die Temperatur des Kühlmittels im Rücklauf. Dieser Temperaturunterschied ΔT muß im Rückkühler ausgeglichen werden. Es ist also möglichst dafür zu sorgen, daß die Vorlauftemperatur konstant bleibt, um zu verhindern, daß die Rücklauftemperatur des Kühlmittels zu stark steigt.

Die erfindungsgemäße mengenkonstante oder mengengeregelte Ausgleichs- oder Dosierpumpe sorgt dafür, daß am Brenner unabhängig von seiner Position stets die "richtige" Strömungsgeschwindigkeit herrscht und damit die anliegende Wärmemenge zuverlässig abgeführt wird. Der Abschnitt vom Rückkühler bis zur Pumpe sollte bevorzugt einen Druck aufweisen, der höher ist als der am Brenner für das Kühlmedium erforderliche Druck. Mittels der Dosierpumpe lassen sich exakt die gleichen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmediums in unterschiedlichen Stellungen des Brenners realisieren.

In einer Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, den Durchfluß des Kühlmediums als Reglereingangsgröße zu nehmen. Durchflußmeßgeräte sind relativ preisgünstig. Sie geben bei gleichmäßiger thermischer Belastung des Brenners ein gutes Abbild der effektiven Kühlleistung am Brenner.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, die sowohl die Temperaturdifferenz als auch den Durchfluß als Regelgröße aufnimmt. Über diese Regelgrößen wird dann zum Beispiel die Durchflußmenge geregelt. Die Regelung ist so zu verstehen, daß bei einem Absinken der Temperaturdifferenz unter einen bestimmten Grenzwert oder beim Absinken der Durchflußmenge unter eine bestimmte Menge eine Erhöhung der Drehzahl der Kühlmitteldosierpumpe erfolgt, um die Durchflußmenge oder deren Druck zu beeinflussen. So wird ein, bevorzugt digital geregeltes, bezüglich aller Roboterbewegungen positionsneutrales, konstantes Brennerkühlsystem erreicht, bei dem bevorzugt ein hydrostatischer Kühlmittelkreis vorgesehen ist, bestehend aus temperaturgeregeltem Rückkühler sowie einer Pumpe für die Allgemeinversorgung des Brennerschlauchpaketes mit unterschiedlichen Längen und einer vorzugsweise auf der fünften Achse des Roboters plazierten Dosierpumpe für den Brennerkörper.

Zur Ausführung der Erfindung können entweder der Druck des Kühlmediums oder die Durchflußmenge des Kühlmediums oder beide geregelt werden. Dies hat zur Folge, daß mehr oder weniger Kühlmedium zum Brenner fließt und damit die Kühlleistung erhöht oder verringert wird.

Bevorzugt ist für die Regelung eine digitale Regelung vorgesehen, da die dafür erforderlichen Bauteile inzwischen äußerst preisgünstig sind und absolut zuverlässig funktionieren.

Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kühlsystems und

Fig. 2 einen Schweißbrenner mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem und

Fig. 3 eine weitere Ausführung eines Schweißbrenners mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem.

Das Kühlsystem gemäß Fig. 1 weist eine Hydropumpe 1 für die Umwälzung des Kühlmittels auf. Ein Druckfühler 2 dient zum Begrenzen des Eingangsdruckes im System. Das Brennersystem 3 wird von dem Kühlmittel versorgt und gekühlt. Ein Temperaturfühler 4 sitzt im Kühlmittelvorlauf und mißt die Temperatur des Kühlmittels, das zum Brenner 3 fließt. Ein Temperaturfühler 5 sitzt im Kühlmittelrücklauf und mißt die Temperatur des Kühlmittels, wenn es den Brenner 3 verläßt. In dieser Ausführung ist auch ein Durchflußmeßgerät 6 angeordnet, welches ebenfalls zur Regelung eingesetzt werden kann. Die Regeleinheit 7 erhält in dieser Ausführung Informationen vom Druckfühler 2, vom Temperaturfühler des Vorlaufes 4, vom Temperaturfühler des Rücklaufes 5 und vom Durchflußmeßgerät 6. Der Ausgang des Reglers 7 geht an die Hydropumpe 1 und verändert deren Leistung, entweder bzgl. des Druckes und/oder bzgl. des Durchflusses.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung der Erfindung in Verbindung mit einem Schweißroboter, wie er links in der Figur gezeigt ist. Am Schweißroboter (einige Bewegungsmöglichkeiten des Schweißbrenners 3 sind durch gestrichelte Linien und Doppelpfeile angedeutet) sind eine Kühlmitteldosierpumpe 1, der Temperatursensor 4 für den Vorlauf und der Temperatursensor 5 für den Rücklauf angeordnet. Die Sensoren 4, 5 sitzen im und/oder am Schlauchpaket des Kühlmittels zum Brenner 3. Hinter dem Schweißroboter sind die Stromquelle 8 und ein an sich bekanntes Kühlaggregat 9 vorgesehen. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Regelung mit vorgegebener Kühlmedienmenge (definiertem, konstanten Kühlmediendurchfluß) kann die im Brenner 3 erzeugte Wärme unabhängig von der Stellung des Brenners 3 erfaßt und abgeführt werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems an einem Schweißroboter, bei dem der Brenner 3 wiederum an dem Schweißroboter angebracht ist. Auch hier ist die Kühlmitteldosierpumpe 1 nebst Sensorik auf dem Schweißroboter angeordnet. Dabei führen Leitungen nicht nur zur Stromquelle 8 und zum Kühlaggregat 9, sondern auch zu der Drahtabspulvorrichtung 10, die auch die zentrale Systemlogik enthält.

Bezugszeichenliste

1

Dosierpumpe

2

Druckfühler zum Begrenzen des Eingangsdruckes im System

3

Brennersystem

4

Temperaturfühler Kühlmittelvorlauf

5

Temperaturfühler Kühlmittelrücklauf

6

Durchflußmeßgerät

7

Regeleinheit

8

Stromquelle

9

Kühlaggregat

10

Drahtabspulvorrichtung

Claims (7)

1. Verfahren zum Kühlen eines Schweiß- oder Schneidbrenners (3) mit einem eine Pumpe (1), einen Zulauf und einen Ablauf für das Kühlmedium und einem Wärmetauscher aufweisenden Kühlsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Kühlmedienmenge geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Kühlmedienmenge konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Druck des Kühlmediums geregelt wird.

4. Kühlsystem für einen Schweiß- oder Schneidbrenner (3) mit einer Pumpe (1), einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmedium und einem Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine hydrostatische Pumpe, wie eine Gerotorpumpe, eine Zahnradpumpe oder eine Axialkolbenpumpe, vorgesehen ist.

5. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (4) im Zulauf und ein zweiter Temperaturfühler (5) im Rücklauf angeordnet ist und daß die Temperaturdifferenz als Regelgröße dient.

6. Kühlsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchflußmesser (6) vorgesehen ist.

7. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Regelung vorgesehen ist.