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Schweißdüse
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißdüse mit einer Bohrung
zum Nachführen eines Schweißdrahts und mit einer hitzebeständigen Düsenspitze, die
eine zentrale Austrittsöffnung für die Bohrung und eine diese umgebende, sich zum
Schweißdraht koaxial erstreckende Ringwulst aufweist.
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Beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen verwendet man einen Schweißkopf,
der aus einer Schutzgasdüse besteht, in deren Achse eine Schweißdüse angeordnet
ist, die ihrerseits eine Bohrung zum Nachführen eines Schweißdrahts aufweist. Beim
Schweißen ragt der Schweißdraht aus der Schweißdüse heraus und bildet zusammen mit
der Schweißdüse die positive Elektrode, wobei aus der Spitze des Schweißdrahts ein
Lichtbogen in das als negative Elektrode dienende
Werkstück übertritt.
Die Schutzgasdüse hat hierbei die Aufgabe, ein Inertgas derart um den Lichtbogen
herum zu leiten, daß dieser vom Zutritt des Luftsauerstoffs abgeschirmt bleibt.
Durch die Hitze des Lichtbogens wird Schweißdrahtmaterial verbraucht und als Schweißnaht
auf dem Werkstück abgelagert; um eine kontinuierliche Schweißung zu gestatten, führt
eine maschinelle Einrichtung ständig mit einem vorbestimmten Vorschub Schweißdraht
durch die Schweißdüse zur Schweißstelle nach.
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Während des Schweißvorgangs sorgt eine Regeleinrichtung für eine hinlängliche
Koordinierung von Schweißvorgang und Schweißdrahtvorschub, diese Regelung versagt
aber bei diskontinuierlichen Vorgängen, wie beispielsweise Schweißbeginn oder Abschalten
des Schweißstroms, sowie bei Störungen im Vorschub, wie beispielsweise Aufbrauchen
des Schweißdrahts. Während beim Schweißen mit der Handschweißpistole die Fertigkeit
und Erfahrung des Schweißers diese Schwierigkeit in der Regel überwindet, führen
die eingangs genannten Vorgänge beim Maschinenschweißen regelmäßig zu Störungen.
Während beim Abschalten des Schweißstromes am Ende einer Schweißstelle aufgrund
der Massenträgheit im Vorschubmechanismus der Schweißdraht noch weiter nachgeführt
wird, so daß er in die Schmelze eintaucht und dort festklebt, führen Zündschwierigkeiten
beim Schweißbeginn sowie Versagen des Vorschubs beim Aufbrauchen des Schweißdrahts
regelmßig dazu, daß der Lichtbogen am Schweißdraht hinaufbrennt und sich dann am
Drahtende in die Düse hineinbrennt. Dieses Verschweißen des Drahtes mit der Stirnseite
der Kontaktdüse erfordert häufige Erneuerung der Kontaktdüse
und
hierbei aufwendige Einfädelarbeiten am Drahtfördersystem.
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Bei der Verarbeitung von Aluminium treten aufgrund der geringen Drahtfestigkeit
und der damit verbundenen Förderproblematik häufige Stockungen im Vorschubsystem
auf, so daß das hiermit gleichzeitig erfolgende Einbrennen des Schweißdrahts in
die Schweißdüsenöffnung eine laufende Belastung der Schweißarbeiten bildet.
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Durch Maschinenstillstandszeiten aber wie auch durch Verschleiß an
Düsen entstehen merkbare Kosten.
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Um einen Teil der eingangs genannten Probleme zu überwinden, wurde
bereits vorgeschlagen (Dr.-Ing. W. Rößner, Nürnberg: Besonderheiten des maschinellen
Präzisions-Kurzlichtbogenschweissens), an der Austrittsöffnung der hitzebeständigen
Düsenspitze der Schweißdüse eine Ringwulst anzuordnen, die den Schweißdraht koaxial
umgibt, die von einem scharfkantigen Ringgrat ausgehend eine muldenförmige Einbuchtung
bis zur Austrittsöffnung des Schweißdrahtes bildet, wobei gleichzeitig eine Regeleinrichtung
vorgesehen wird, mittels deren beim Beendigen eines Schweißvorganges und nach Abschalten
des Vorschubs für den Schweißdraht die Schweißspannung noch für einen gewissen Zeitraum
aufrechterhalten wird, wobei der Schweißdraht zur Austrittsöffnung hin abbrennt,
der Lichtbogen aber dann über die muldenförmige Ausbuchtung in der Düsenspitze zum
Ringgrat hin ausweicht und dort erlischt. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird
wirksam das Festkleben der Elektrode in der Schmelze verhindert, die andere Störung
aber, das Verschweißen der Elektrode in der Austrittsöffnung, wird durch diese Maßnahme
nicht verhindert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannte Schweißdüse derart
weiterzubilden, daß das Festbrennen bzw. Festschweißen des Schweißdrahts in der
Austrittsöffnung verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Höhe der
Ringwulst zum Bilden eines Hohlraums um den Schweißdraht herum ein Mehrfaches seines
Durchmessers beträgt. Die Ringwulst muß also eine Mindesthöhe aufweisen, die den
Durchmesser des Schweißdrahtes übertrifft. Tritt bei der Anwendung der erfindungsgemäßen
Schweißdüse eine Störung im Drahtvorschub ein, dann brennt der Lichtbogen zur Schweißdüse
hin zurück, bis er das Höhenniveau der Stirnfläche der Ringwulst erreicht. Nun springt
der Lichtbogen zusätzlich auf die hitzebeständige Düsenspitze über, wodurch sich
die Stromdichte im Schweißdraht verringert; diese reduzierte Strombelastung, die
gleichbedeutend mit einer geringeren Wärmebeaufschlagung des Drahtes ist, reicht
nun nicht mehr aus, um weiterhin schmelzflüssige Partikel vom Drahtende abzulösen,
ist jedoch noch so hoch, daß sich die schmelzflüssige Phase am Drahtende vergrößert.
Es kommt aufgrund der Oberflächenspannung in der schmelzflüssigen Drahtzone zur
Bildung eines kugeligen Schmelztropfens innerhalb des Hohlraums, der seinerseits
so bemessen ist, daß der Schmelztropfen die Austrittsöffnung nicht mehr erreicht
und somit nicht mehr verkleben kann. Es ist jetzt ein stabiler Zustand eingetreten,
der so lange aufrechterhalten werden kann, wie es Ausbildung und Material der Stirnfläche
der Ringwulst zulassen, ohne daß ein Verkleben oder Zuschweißen der Austrittsöffnung
eintritt.
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Der erfindungsgemäße, zur Aufnahme des Schmelztropfens vorgesehene
Hohlraum
ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung derart weitergebildet, daß er einen
zylindrischen Wandabschnitt aufweist.
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Dieser zylindrische Wandabschnitt umgibt den Schmelztropfen, der sich
innerhalb eines glockenförmigen Hohlraums bildet. Da grundsätzlich ein Lichtbogen
nur aus einer Oberfläche austritt, die dem Werkstück zugewandt ist, ist mit Sicherheit
verhindert, daß aus den zylindrischen Wandabschnitten, die senkrecht zur Werkstückoberfläche
stehen, Lichtbogen austreten, die den benachbarten Schmelztropfen noch zusätzlich
aufheizen, und Oberflächenpartikel davon mitreißen könnten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Durchmesser des zylindrischen
Wandabschnitts gleich groß oder kleiner als die Höhe des Ringwulstes. Da der zylindrische
Wandabschnitt ohnehin einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der des Schmelztropfens,
und da sich aufgrund der Oberflächenspannung in üblichen Schmelzmaterialien ein
nahezu kugelförmiger Schmelztropfen bildet, ist durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung
gewährleistet, daß der Schmelztropfen ganz in dem von der Ringwulst gebildeten Hohlraum
verschwinden kann, so daß ein Lichtbogen, wenn überhaupt, nur aus dem Kugelbereich
des Schmelztropfens auftreten kann, der unmittelbar dem Werkstück gegenüberliegt.
Es wird somit durch diese Ausbildung in ganz besonderer Weise sichergestellt, daß
der Schmelztropfen die Austrittsöffnung für den Schweißdraht nicht mehr erreichen
kann.
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Die Stirnfläche der Ringwulst kann kegelig oder muldenartig ausgebildet
sein,
und einen peripheren, scharfkantigen Grat aufweisen, wodurch gewährleistet wird,
daß beim Abbrennen des Schweißdrahtes und nach Überspringen des Lichtbogens vom
Schweißdraht auf die Schweißdüse dieser radial nach außen bis zum peripheren Grat
wandert und somit den Bereich des Schweißdrahts völlig verläßt. Bei einer derartigen
Ausbildung wird aber andererseits eine unter Umständen unerwünschte Verlagerung
des Lichtbogens auf dem Werkstück zwangsläufig mit in Kauf genommen, sodaß als im
Sinne der vorliegenden Erfindung vorteilhafte Weiterbildung erfindungsgemäß vorgeschlagen
wird, daß die Ringwulst eine sich radial zum Hohlraum erstreckende, im wesentlichen
ebene Stirnfläche aufweist. Diese Stirnfläche weist keine bevorzugte Austrittszone
für den Lichtbogen auf, sodaß sich der Lichtbogen über die gesamte Stirnfläche verteilt
und somit eine verhältnismäßig geringe Stromdichte und eine geringe örtliche thermische
Belastung bildet, wodurch in besonders vorteilhafter Weise die Abnutzung der Schweißdüse
verringert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung verjüngt sich der
Hohlraum vom zylindrischen Wandabschnitt zur Austrittsöffnung hin, so daß er eine
Wandpartie bildet, die im wesentlichen der Form des Schmelztropfens entspricht.
Nähert sich der Schmelztropfen längs des Schweißdrahts der Austrittsöffnung, dann
bildet sich über einen kappenartigen Bereich des Schmelztropfens hinweg zum Grund
des Hohlraums hin ein gleichmäßiger, enger Luftspalt, über den hinweg ein Temperaturausgleich
zum verhältnismäßig kühlen Material der Schweißdüse hin möglich ist. Hierdurch wird#wirksam
vermieden, daß
der Schmelztropfen tatsächlich die Austrittsöffnung
erreicht Hat sich im Störungsfall ein Lichtbogen zwischen der Ringwulst und dem
Werkstück gebildet, kann durch eine geeignete Kühlung der Ringwulst dafür gesorgt
werden, daß diese das Einwirken des Lichtbogens über einen gewissen Zeitraum hinweg
überlebt, ohne Schaden zu nehmen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung aber ist
es von Vorteil, daß die Ringwulst zumindest im Bereich ihrer Stirnfläche als auswechselbares
Einzelteil ausgebildet ist, das als Verschleißteil die Beschädigung der Schweißdüse
selbst verhindert.
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Nähere Untersuchungen haben ergeben, daß die im folgenden auf geführten
ungefähren Größenverhältnisse einer erfindungsgemäßen SchT~i#ißdüseinsbesondere
bei der Verwendung von Aluminiumdraht besonders vorteilhaft sind: h = 3,5 d; D =
3 d; D' = 5,5 d; wobei d der Schweißdrahtdurchmesser, D der Durchmesser des zylindrischen
Wandabschnitts und h die Höhe des zylindrischen Wandabschnitts ist, und wobei D'
der Durchmesser der sich unmittelbar an den zylindrischen Wandabschnitt anschließenden
Stirnfläche ist, Bei dieser bevorzugten Ausbildung wird die Schweißdüse von einem
zylindrischen Rohr gebildet, dessen Außendurchmesser D' und dessen Innendurchmesser
d ist. Dieses Rohr weist eine ebene Stirnfläche auf, die längs einer Radialebene
des Zylinders verläuft, wobei die Stirnfläche eine axiale Bohrung mit dem Durchmesser
D und der Bohrtiefe
h aufweist.
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Die Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise
noch näher erläutert.
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Fig. 1 mit 4 zeigen jeweils die Mündung einer mit der erfindungsgemäßen
Schweißdüse ausgestatteten Schweißpistole im Schnitt, und Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schweißdüse im Schnitt.
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Oberhalb eines Werkstücks 1 ist die Mündung einer mit einer erfindungsgemäßen
Schweißdüse ausgestatteten Schweißpistole im Schnitt sichtbar. Die Mündung weist
eine Schutzgasdüse 3 auf, die von einem sich zur Schweißzone 4 hin verjüngenden
Rohrstutzen gebildet wird. In der Achse der Schutzgasdüse ist die erfindungsgemäße
Schweißdüse 5 angeordnet, die aus einem zylindrischen Rohrstutzen besteht, der im
Inneren der Schutzgasdüse ein wenig oberhalb deren Mündung endet. Es wird somit
zwischen Innenwand der Schutzgasdüse 3 und Außenwand der Schweißdüse 5 ein sich
konisch zur Schweißstelle 4 hin verjüngender Ringraum geschaffen, der beim Schweißen
von Schutzgas durchströmt wird, das die Schweißstelle 4 gegen den Zutritt der Umgebungsluft
abschirmt.
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Im Inneren der Schweißdüse 5 ist ein zu ihr koaxial verlaufender Schweißdraht
6 in einer Schweißdrahtbohrung 6' (Fig.5) angeordnet, der beim Schweißen aus der
Stirnseite der Schweißdüse sowie der Schutzgasdüse heraus in die Schweißzone 4 hineinragt.
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An der Stirnfläche weist die Schweißdüse erfindungsgemäß einen Hohlraum
7 auf, dessen Form und Abmessungen im Zusammenhang mit Fig. 5 noch erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Schweißdüse während eines normalen
Schweißvorgangs: die Schweißdüse 5 selbst bildet eine Elektrode, die mit dem Schweißdraht
6 leitend verbunden ist, der sich durch den Hohlraum 7 und durch die Mündung der
Schutzgasdüse 3 hindurch bis in die Schweißzone 4 hinein erstreckt, wo durch den
sich dort gebildeten Lichtbogen sein Material abgerissen und auf das Werkstück 1
aufgetragen wird. Während des in Fig. 1 dargestellten Schweißvorgangs wird durch
einen (nicht dargestellten) Vorschub ständig Schweißdraht 6 in der Menge nachgeliefert,
wie er in der Schweißzone 4 verbraucht wird.
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Tritt in der Vorschubeinrichtung des Schweißdrahts 6 eine Stockung
auf, dann brennt der Schweißdraht 6 in Richtung seiner Austrittsöffnung 8 weiter
(Fig.2), bis er so weit abgebrannt ist, daß er mit der Stirnfläche 9 der Schweißdüse
1 bündig abschließt (Fig.3).
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In diesem Moment springt der Lichtbogen auf die ebene Stirnfläche
9 der Schweißdüse 5 über, so daß die Stromflußdichte im Schweißdraht 6 wesentlich
geringer ist, als sie noch kurz vorher bei dem in Fig. 2 dargestellten Zustand war.
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Die im Schweißdraht 6 nun herrschende Stromdichte bewirkt nicht mehr,
daß aus ihm heraus Material zum Werkstück 1 geschleudert wird, bringt aber noch
eine hinlänglich hohe Wärmewirkung auf, um das freie Ende des Schweißdrahts 6 schmelzen
zu lassen. Aufgrund
der Eigenviskosität der Schmelze bildet sich
ein kugeliger Schmelztropfen 1o (Fig.4), der durch den weiterhin aus ihm austretenden
Teillichtbogen zwar flüssig gehalten wird, der aber nicht mehr bis zur Austrittsöffnung
8 weiterwandert.
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In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schweißdüse
5 im Schnitt dargestellt: die Schweißdüse besteht aus einem zylindrischen Rohr mit
einem Außendurchmesser D von lo mm Durchmesser, das eine Innenbohrung 6' zur Aufnahme
des Schweißdrahts 6 (in Fig. 5 nicht dargestellt) aufweist, deren Durchmesser d
1,8 mm beträgt. Das Rohr weist eine planabgestochene Stirnfläche 9 auf.
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In die Stirnfläche 9 ist eine Bohrung mit dem Durchmesser D von 6
mm eingebracht, die einen zylindrischen Wandabschnitt mit der Höhe h = 6,5 mm bildet.
Von der Schulter dieses Wandabschnitts verjüngt sich die Bohrung kegelig bis zur
Austrittsöffnung 8, wobei der Kegelwinkel OC = 1200 beträgt.
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Die in Fig. 5 dargestellte Düse ist insbesondere zur Verwendung eines
Aluminiumdrahts mit 1,6 mm Durchmesser als Schweißdraht geeignet.
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Ansprüche