DE2020476A1

DE2020476A1 - Plasmalichtbogen-Schweissbrenner

Info

Publication number: DE2020476A1
Application number: DE19702020476
Authority: DE
Inventors: Mccoy George H
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1969-04-28
Filing date: 1970-04-27
Publication date: 1970-11-26
Also published as: GB1310827A; US3553422A

Description

Pafenfanwälfe

Dr.-Ing. Wilhelm fieichel Dipl-Ing. Wolfgang Mchel

ο Fiankiuri a. M 1
Paiksiiaße 13

6256

AIR PRODUCTS AIiD CHEMICALS, INC., Philadelphia, Pennsylvania

Y.St.A.

Plasmalichtbogen-Schweißbrenner

Die Erfindung betrifft einen Plasmalichtbogenr-Schweißbrenner mit einem an einem Handgriff befestigten Brennerkopf, einer Katode und einer Düse, die als Anode dient und zur Zündung eines Lichtbogens innerhalb des Kopfes angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung zielt ferner darauf ab, die Erscheinung der doppelten Lichbogenbildung in einem Plasmalichtbogenbrenner zu verhindern oder stark einzuschränken, insbesondere in denjenigen Plasmalichtbogenbrennern, die für elektrische Ströme von 100 Ampere oder weniger konstruiert sind und mit solchen Strömen betrieben werden.

Die doppelte Lichtbogenbildung ist eine Erscheinung, die beim Betrieb von Plasmalichtbogenbrennern auftritt, die man gewöhnlich als Übertragvungsarbeitsweise kennt. In bekannten Plasmageräten wird der Lichtbogen zwischen einer Anode und einer Katode gezündet, die im Brenner selbst enthalten sind. Das dem Schweißvorgang unterworfene Werkstück wird dann zu einer Zweigleitung des Schweißstromes gemacht, gewöhnlich zur 'positiven Zweigleitung, und das eine Ende des Lichtbogens wird hierauf .aus dem Innenraum des Brenner heraus zu dem Werkstück übertragen, das die andere Elektrode darstellt. Es hat sich gezeigt, daß bei bekannten Brennern der Weg des geringsten

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Widerstandes für den elektrischen lichtbogen von der Hauptelektrode (Katode) zur Brennerdüse oder -spitze (anfänglich die Anode) und dann zum Werkstück verläuft, we-nn entweder der Strom so verstärkt wird, daß die Leitfähigkeit des säulenförmigen Plasmalichtbogens überfordert wird, oder die Lichtbogengasströmung ungenügend ist, um den zugeführten elektrischen Strom zu führen. Daraus resultiert die Erscheinung der doppelten Lichtbogenbildung, bei der der Lichtbogen von der Katode zu Düse und zum Werkstück verläuft. Eine solche doppelte Lichtbogenbildung führt jedoch schon in einer kurzen Zeitspanne zur Zerstörung der Brennerspitze oder -düse, so daß es erforderlich wird, die Spitze und die Düse zur ersetzen, und außerdem führt sie zu einer unzureichenden Schweißung.

Man hat nun entdeckt, daß die Erscheinung der doppelten Lichtbogenbildung stark verringert und in gewissen Pällen sogar ausgeschaltet werden kann, wenn man das Schutzgas schnell quer zur Spitze strömen läßt, aus der der Plasmalichtbogen austritt, und zwar unter einem Winkel zwischen parallel zum Plasmalichtbogen und kleiner als normal zum Plasmalichtbogen. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird dadurch ausgeführt, daß man rund um die 3rennerspitze eine Düse vorsieht, die die Strömung des Lichtbogengases einengt und dadurch dessen Geschwindigkeit erhöht, und die gleichzeitig die Strömung des Lichtbogengases unter dem erwünschten Wege über die Frontseite der Spitze lenkt. Der Hutzeffekt des auf diese V/eise verwendeten Schutzgases besteht darin, das Stromleitvermögen der Spitze zu erhöhen, wodurch wiederum die.Erscheinung der doppelten Lichtbogenbildung stark verringert wird.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das die doppelte Lichtbogenbildung in einem Plasmalichtbogenbrenner auf eine Minimum reduziert wird, sowie einen Brenner zu schaffen, durch den die Er-

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s-cheinung der doppelten Lichtbogenbildung stark verringert oder ganz ausgeschaltet wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Brenner gelbst, der erfindungs-GGisä.3 gekennzeichnet ist durch eine Vorrichtung zur Zuführung eines Lichtbogengases au einem elektrischen Lichtbogen zwecks Lrzeugung eines riasrcalichtbogens in der liähe der Katode, eine Vorrichtung.sur Einführung eines Schutzgases in den Brenner, das an dec Lichtbogen geführt v/erden muß, eine einen zentralen Kanal enthaltende Düse, die an den Brennerkopf befestigt ist und wenigstens den unteren Seil der Brennerspitze umfasst, wobei der zentrale Kanal in der Düse einen Abstand von der Spitze aufweist und eine Leitung fürdas Schutzgas bildet, damit dieses rund ui2 die Spitze strömt und durch eine Vorrichtung, die an der Fläche des zentralen Kanals befestigt ist, um das Schutzgas einzuengen oder einzuschnüren und anfänglich gegen den Piasisalichtbogen uaier einen Winkel zu führen, der größer als parallel, jedoch kleiner als normal zum Plasmalichtbogen ist.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Abbildung ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und der Abbildung hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und cit den Y.'illen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden. Ss zeigen:

Figur 1 eine leil-Querschnittsansicht eines Schweißbrenners," der erfindungsgemäS ausgeführt ist und zur Ausführung des erfindungsgemäSen Verfahrens dient.

Figur 2 eine StirnansichO der Düse gQm'äß der vorliegenden Erfindung und

Figur 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Figur 2.

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BAD ORfQfNAL

Es wird nun auf Figur 1 3ezug genommen. In dieser ist ein Plasmalichtbogen-Schweißbrenner gezeigt, der einen Kopfteil 10 und einen Handgriffteil 12 aufweist.

Diejenigen Seile des Kopfes 10 und Handgriffes 12, die nicht im Schnitt dargestellt sind, enthalten die Vorrichtungen zur Einführung des Lichtbogengases in die Elektrode 16, zur Zuführung des Schutzgases zur Düse 20, zum elektrischen Ansohliessen der Elektrode 16 und der Spitze 22 an unterschiedliche elektrische Potentiale, sowie die Vorrichtungen, die in bekannter Weise zum Kühlen des Brenners dienen.

Das Lichtbogengas strömt entlang Nuten oder Kanälen, die in der Außenseite 17 des Elektrodenabstandsstückes 18 enthalten sind, gegen das Ende 19 der<Elektrode 16. Ein gewisser Teil des Lichtbogehgases vereinigt sich dann mit dem elektrischen Lichtbogen, um einen Plasmalichtbogen 23 zu bilden. Der Plasmalichtbogen 23 wird durch die in der Spitze 22 enthaltene Öffnung 24 in Kombination mit einer Hülle eines nicht ionisierten Lichtbogengases gebündelt und auf das Werkstück (nicht gezeigt) gerichtet, das zwischen dem Lichtbogen 23 und der Wand der Öffnung 24 strömt.

Ein solcher oben beschriebener Lichtbogen ist eigenstabil. Um jedoch mit einem Plasmalichtbogen wirksam zu schweißen, muß er mit einem Schutzgas, z.B. Argon, abgeschirmt werden. Das Schutzgas wird über den Handgriff 12 in einen Ringkanal 26, dann in einen größeren Ringkanal 28 und durch einen Ringkanal 29 in eine Vielzahl von Kanälen 30 geleitet, die in einem Ring 32 enthalten sind, der um die Spitze 22 herum angeordnet ist. Das Schutzgas wird fener durch einen Kanal aus dem Brenner nach außen geführt, der durch die Spitze 22 und die Düse 20 begrenzt ist. Der Ringkanal 28 hat einen . größeren Durchmesser als der Kanal 26 oder der Kanal 29» um

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zu ermöglichen, daß sich der Druck des Schutzgases rund um die Spitze 22 ausgleichen kann, bevor das Gas_/ aus dem Brenner herausgeführt wird. Dieser Kanal 28 wirkt demzufolge als" Druckoder Pufferkammer und glättet die Schutzgasstömung.

Die Spitze 22 ist an dem die öffnung 24 enthaltenden Ende abgerundet und aus einem Metall hergestellt. Das gewöhnlich am häufigsten verwendete Material ist Kupfer. Die Spitze 22 ist über den Brennerhandgriff 12 mit einer elektrischen Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden und in der Regel elektrisch positiv_; während die Elektrode 16 über den Handgriff 12 mit einer gewöhnlich negativen elektrischen Spannungsquelle (nicht gezeigt)verbunden ist. Die Elektrode 16 besteht aus einem Metall, z.B. aus Wolfram, oder thoriumhaltigem Völfram. Unter normalen Betriebsbedingungen wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Spitze 22 und der Elektrode 19 gezündet, wobei dann ein Teil des Lichtbogengases mit diesem elektrischen Lichtbogen kombiniert und das Plasma exze)igt wird. Nachdem der Plasmalichtbogen aufgebaut ist, wird die Spitze 22 aus dem elektrischen Stromkreis herausgenommen und das Werkstück (nicht gezeigt) wird zum positiven Endpunkt des elektrischen Lichtbogens. Dies ist als Übertragangs-Arbeitsweise des Plasmalichtbogenbrenner bekannt und der im allgemeinen benutzte Arbeitsmodus zum Schweißen. Nach der Übertragung des positiven Teils des elektrischen Lichtbogens sollte der elektrische Lichtbogen nur zwischen der Elektrode 16 und dem Werkstück (nicht gezeigt) vorhanden sein. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall, und es tritt die Erscheinung der doppelten Lichtbogenbildung auf, wobei der Lichtbogen von der Elektrode 19 zur Spitze 22 und dann zum Werkstück (nicht gezeigt) geschlagen ist. Wie bereits oben erwähnt wurde, kann dies zu einen übermäßigen Verschleiß der Brennerspitze führen. .

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In bekannten Brennern dieser Art ragt die Spitze häufig unter die Düse, so daß das Schutzgas den Plasmalich.tbogen entlang seiner gesamten Bahn im Freien berührt. V/enn die Spitze 22 unter die Düse 20 ragt, kann dies auch einen elektrischen Kurzschluß bewirken, wenn die Spitze zufällig in Berührung mit dem Werkstück gebracht wird. Außerdem kann die Berührung der Spitze mit dem Werkstück eine Verunreinigung der Schweißnaht zur Folge haben.

Unter Bezugnahme auf Figur 1 wurde bereits oben erwähnt, daß die Düse 20 einen Teil der Spitze 22 umgibt, um das Schutzgas 18 rund um den Plasmalichtbogen 23 zu führen. Wie in Figur 3 gezeigt ist, weist die Düse 20 eine im allgemeinen zylinderförmige Auslaßöffnung 34 an ihrem unteren Ende auf. Die zylindrische Öffnung 34 besitzt eine Längsachse, die mit der Längsachse der Spitze 22 zusammenfällt, wenn die Düse 20 am Brenner angeordnet ist. Die Öffnung 34 führt zu einer oberen, im allgemeinen kegelförmigen Innenfläche 36, die wiederum mit einer weiteren zylindrischen Fläche 38 in Verbindung steht, an der ein Gewinde 40 ausgebildet ist, da3 in Eingriff .mit dem Ring 32 bringbar ist.

Die Schulter 43 der Düse,die durch den S_chnitt des zylindrischen und kegelförmigen Teils gebildet ist, ist so angeordnet, daß sie in Verbindung mit dem unteren Ende der Spitze 22 eine · Verengung oder Einschnürung der Strömung des Schutzgases bewirkt, wie dies .in Figur 1 bei 42 gezeigt ist. Diese eingeschnürte oder verengte Strömung wird dann zunächst quer zur Frontseite der Spitze in abgewinkelter Richtung gegen den Plasmalichtbogen 23 gelenkt. Der eingeschlagene Winkel ist größer als parallel zum Plasmalichtbogen jedoch kleiner als normal zum Plasmalidrföogen. Wenn das Schutzgas an der Spitze vorbei nach unten tritt, wird es bogenförmig abgelenkt, um schließlich den Plasmalichtbogen zu umhüllen und parallel mit diesem gegen das V/erkstück zu strömen. Sobald das Gas die Atmosphäre erreicht, dehnt es sich nach außen aus, um die

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■richtige Abschirmung auszubilden, wobei keine Verringerung des Arbeitsabstandes zu der zurückgezogenen Spitze auftritt.

Wie in Figur 1 gezeigt ist, weist normalerweise der Brenner, wenn er in einem Übertragungsmodus arbeitet, einen elektrischen Lichtbojen auf, der unmittelbar vom unteren Ende der Elektrode 19 au dem nichtgezeigten Werkstück aufrechterhalten wird. Bei einer normalen Düse (z.B. einer solchen, die nicht die scharfe Schulter aufweist, sondern vielmehr einen glatten Konus von wer Oberseite zur Unterseite ) würde der Lichtbogen häufig von der Elektrode 23 zur Spitze 22 und dann auf das Werkstück springen.

Wie bereits eben erwähnt wurde, werden die unerwünschten Einflüsse der Erscheinung der doppelten lichtbogenbildung dadurch verhindert, daß man das Schutzgas veranlaßt, schnell quer zur Frcnt2eite der Spitze des Brenners zu ströaen. Wenngleich can nicht weiß, wie dies genau funktioniert, wird dadurch jedoch die doppelte Lichtbogenbildung stark verringert und in manchen Fällen ganz verhindert, welche doppelte Lichtbo-gen» bildung sieh gewöhnlich bei Plasiaalichtbcgenbrenneren mit niedrigen Strömen gezeigt hat. Es hat sich ferner herausgestellt, dai oin Winkel von etwa 70° für die kegelige Fläche 30 der Düse 2C erwünscht ist, dasit can eine Spitze mit einer abgerundeter. Foris erhält, wie sie in der Zeichnung gezeigt ist. Der Winke*! scheint jedoch nur für die spezielle Form der gezeigten Düse kritisch zu sein, und es muß bemerkt werden, caS die Fore nur dem Zweck dient, die Einschnürung und Lenkung des Schutzgases zu bewirken, um die doppelte Lichtbogenbildung zu verhindern. Für eine unterschiedliche Spitzenform muß daher die Düsenfora abgeändert werden, um die erwünschte Bewegung des Schutzgases zu erreichen.

Die Düse ist vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material, z.3. 2oner.de hergestellt. Ss können jedoch auch in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen des Brenners andere

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Materialien verwendet werden.

Da die Spitze innerhalb der Düse versenkt angeordnet ist,, kann sie nicht zufällig in Berührung mit dem Werkstück kommen und einen Kurzschluß verursachen« Die zurückgezogene oder versenkt angeordnete Spitze verringert ferner die Kupfereinschlüsse in dem Schweißmetall sehr stark.

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Claims

Patentansprüche

1J Plasmalichtbogen-Schweißbrenner mit einem an einem Handgriff befestigten Brennerkopf, einer Katode und einer Spitze, die als Anode dient und zur Zündung eines Lichtbogens innerhalb des Kopfes angeordnet ist,
gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Zuführung eines Lichtbogengases zu einem elektrischen Lichtbogen zwecks Erzeugung eines Plasmalichtbogens in der Nähe der Katode, eine Vorrichtung zur Einführung eines 'Schutzgases in den Brenner, das an dein Lichtbogen geführt werden muß, eine einen zentralen Kanal enthaltende Düse, die an dem Brennerkopf befestigt ist und wenigstens den unteren Teil der Brennerspitze umfasst, wobei der zentrale Kanal in der Düse einen Abstand von der Spitze aufweist und eine Leitung für das Schutzgas bildet, damit dieses rund um die Spitze strömt und durch eine Vorrichtung, die an der Fläche des zentralen Kanals befestigt ist, um das Schutzgas einzuengen oder einzuschnüren und anfänglich gegen den Plasmalichtbogen unter einem Winkel zu führen, der größer als parallel, jedoch kleiner als normal zum Plasmalichtbogen ist.
2. Schweißbrenner nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

einen Ring, der rund um die Spitze angeordnet ist, und eine Schutzgas-Druckkammer begrenzt, die mit der Vorrichtung zur Zuführungüdes Schutzgases in Verbindung steht und mit Abstand über einem Punkt angeordnet ist, 'an dem der Plasmalichtbogen die Spitze verläßt.
3. Schweißbrenner nach Anspruch 2,

d. a d u r c h gekennzeichnet, daß das Ende der Spitze, an denen der Plasmalichtbogen austritt, eine abgerundete Porm aufweist.

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4. Schweißbrenner nach Anspruch 3,
'dadurch gekennzeichnet,

daß das Ende der Düse, durch das der Piasinalichtbogen und das Schutzgas geführt werden, eine innere Fora mit einer oberen . kegelförmigen Fläche aufweist, die zu einer zylindrischen Fläche am Auslaßende der Düse führt, wobei die zylindrische Auslaßöffnung das untere Ende der Spitze umgibt und der durch die kegelförmige Fläche und das abgerundete Ende der Spitze begrenzte Raum das Schutzgas einschnürt und gegen den Plasmalichtbogen lenkt.
5. Verfahren zur Verhinderung einer doppelten lichtbogenbildung unter Verwendung eines Schweißbrenners nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch Einführen einer Menge eines Schutzgases in den Brenner an einem Punkt oberhalb dem csr Plasmalichtbogen seine · frei 3ahn beginnt, durch Einschnüren und Lenken der Schutzgassurömung in einer Richtung gegen den Plasmalichtbogen, die größer als parallel jedoch kleiner als normal zum Plasmalichtbogen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

" daß ein Druckausgleich des Schutzgases erfolgt, bevor das

•Schutzgas eingeschnürt und gegen den Plasmalichtbogen gelenkt wird.

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