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Verbesserter schutzgasgekühlter Schutzgasschweißbrenner für
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das Schweißen mit unendlicher Elektrode Die Erfindung betrifft einen
verbesserten schutzgasgekühlten Schutzgasschweißbrenner für das Schweißen mit unendlicher
Elektrode.
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In der Schweißtechnik sind für die Schutzgasschweißung mit unendlicher
Elektrode gasgekühlte Brenner üblich und seit langem bekannt. Diese gasgekühlten
Brenner sind nur begrenzt mit Schweißstrom belastbar, da die Gasdüse die große Hitze
auf den Spannhülsenkörper so stark überträgt und von diesem die Wärme nur mangelhaft
abgeführt wird, daß es zu baldigen Zerstörungen von Teilen des Brenners kommt. Um
eine ausreichende Wärmeableitung zu ermöglichen, wurden deshalb die Brenner, insbesondere
solche für hohe Leistungsaufnahme, so ausgelegt, daß keine zu hohe Erwärmung durch
zu geringe Querschnitte auftreten kann. Derartige massive Brenner weisen ein erhöhtes
Gewicht auf. Dies erweist sich bei längerem Gebrauch als großer Nachteil, weil es
die Handhabung erschwert.
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Es besteht daher ein großes Interesse an derartigen Brennern mit verbesserter
Gaskühlung, die, auch bei hoher elektrischer Leistung, nur ein geringes Gewicht
und eine kleine Zahl von Verschleißteilen mit erhöhten Standzeiten aufweisen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein verbesserter schutzgasgekühlter Schutzgasschweißbrenner
für die Schutzgasschweißung mit unendlicher Elektrode mit einer Gasdüse, einer Gasdüsenaufnahme,
einem nach außen elektrisch isolierten, ummantelten, stromführenden Brennerrohr,
einem Düsenstock, einer
Stromdüse, einem Spritzerschutz, einem Brennergriff
und einem Schlauchpaket, bei dem der Schutzgasstrom in einem Brennerkörper geteilt
wird, so daß das Brennerrohr innen und außen von Schutzgas umspült und gekühlt wird.
Gekennzeichnet ist der Gegenstand der Erfindung durch einen Brennerkörper auf dem
Brennerrohr zwischen dem Schlauchpaket und dem Düsenstock zur Teilung des Schutzgasstromes,
ein schutzgasgekühltes Brennerrohr mit einem dünnwandigen Außenmantel zur Verbindung
des Schlauchpaketes mit dem Düsenstock, eine am Ende auf den Außenmantel aufgesetzte
Gasdüsenaufnahme, einen mit dem Düsenstock und/oder der Gasdüsenaufnahme verbundenen
Gasverteiler mit von innen nach außen laufenden Bohrungen zum Gasdurchlaß.
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Das stromführende Brennerrohr des erfindungsgemäßen Schweißbrenners
mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung und einem diese Umhüllung umschließenden
Außenmantel ist ein Rohr mit Außenprofil, z.B. weist es außen längs laufende Nuten
und Stege auf, die mit der aus einem metallischen und/oder nichtmetallischen Werkstoff
bestehenden Umhüllung Gaskanäle bilden. Wenn die Umhüllung aus zwei Schichten besteht,
befindet sich der metallische Werkstoff innen und bildet einen Teil der Gaskanalwand.
Dies bewirkt einen besonders guten Wärmeübergang auf das in den Kanälen strömende
Gas. Die Umhüllung wird von einem elektrisch isolierten dünnwandigen Außenmantel
aus geschwärztem Stahl umschloßen.
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Die längs laufenden Gaskanäle können voneinander getrennt sein, aber
auch durch entsprechende Verbindungen untereinander in Kontakt stehen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Schweißbrenners wird die elektrische
Isolierung längs des Brennerrohres gegen den Außenmantel zum größten Teil entfernt,
so daß ein Hohlraum zwischen der Ummantelung des Brennerrohres aus metallischem
Werkstoff und dem Außenmantel entsteht. Bei dieser Ausführung kann der Außenmantel
zusätzlich auch noch Löcher aufweisen,
um einen besseren Luftaustausch
in dem Hohlraum zu ermöglichen. Wird auf die Ummantelung des Profilrohres verzichtet,
entsteht ein Brennerrohr mit außen längs laufenden Nuten und Stegen, einem an den
Enden des Rohres elektrisch isolierten, dünnwandigen Außenmantel aus geschwärztem
Stahl und einem vom Schutzgas durchströmten Raum zwischen dem Brennerrohr und dem
Außenmantel.
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Durch diese Formgebung des Brennerrohres wird die für den Wärmeaustausch
zur VerfUgung stehende Fläche stark vergrößert. Beispielsweise kann die Innenfläche
eines Brennerrohres ca. 2800 mm2 betragen. Durch äußere Profilgebung, z.B. 12 Nuten,
wird beispielsweise eine Außenfläche von ca.
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11 000 mm2 geschaffen. Das beidseitige Umströmen des Brennerrohres
bewirkt gegenüber dem nur im Inneren durchströmten Rohr eine wesentlich verbesserte
Wärmeabführung. Die Aufteilung des Gasstromes wird durch unterschiedliche Strömungswiderstände
in den Gaskanälen und im Inneren des Brennerrohres bewirkt. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform wird der Rohrinnendurchmesser des Brennerrohres so gewählt, daß
die Drahtführungsspirale diesen Innenraum annähernd ausfüllt, für die Stromdüsenbohrung
ein nur geringfügig größerer Durchmesser als für den Schweißdraht gewählt, so daß
im Inneren des Brennerrohres ein gegenüber den Gaskanälen deutlich höherer Strömungswiderstand
entsteht. In diesem Falle strömt die Hauptmenge des Gases durch die Gaskanäle und
nur ein geringer Teil durch das Innere des Brennerrohres.
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Durch diese Dimensionierung des Innendurchmessers des Brennerrohres
wird eine besonders vorteilhafte, verbesserte Führung des Schweißdrahtes in der
Drahtspirale erreicht.
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Das Schutzgas nimmt auch durch die isolierende Umhüllung aus nichtmetallischem
Werkstoff noch Wärme von dem Außenmantel auf. Für die Isolierung können zahlreiche
Stoffe verwendet werden. Bevorzugt wird die Verwendung von Polytetrafluoräthylen.
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Für die äußere Umhüllung des Brennerrohres ist ein dünnwandiges Stahlrohr
besonders geeignet. Es vereinigt geringe Wärmekapazität mit mechanischer Festigkeit.
Um die Abstrahlung nach außen zusätzlich zu verbessern, ist es besonders vorteilhaft,
die Oberfläche des Außenmantels als sogenannten schwarzen Strahler herzurichten.
Vorzugsweise verwendet man ein Stahlrohr mit geschwärzter Oberfläche. Diese Schwärzung
wird durch in der Metallurgie bekannte Methoden erreicht.
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Eine Verbesserung der Wärmeabstrahlung vom Außenmantel kann aber auch
durch eine Oberflächenvergrößerung des Außenmantels erreicht werden, beispielsweise
durch Verwendung eines Profilrohres, Aufsetzen von Kühlrippen oder dergleichen.
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Zur Verbindung des Brennerrohres mit dem Schlauchpaket wird dieses
am Ende verstärkt und mit einem Innengewinde versehen.
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Zwischen dem Schlauchpaket und dem Düsenstock sitzt der Brennerkörper
auf dem Brennerrohr. Dieser Brennerkörper weist eine axiale Bohrung mit zusätzlichen
Nuten auf, in die Stege des Brennerrohres eingreifen, so daß der Anfang von Gaskanälen
entsteht, und das Brennerrohr gegen Verdrehen im Brennerkörper absichern. Der in
den Brennerkörper eingreifende Teil des Brennerrohres weist von innen nach außen
verlaufende Bohrungen auf, die eine Verbindung zwischen dem Rohrinneren und den
Gaskanälen herstellen.
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Die Gestaltung des Brennerkörpers erfolgt so, daß er eine seiner Aufgaben,
die Teilung des Gasstromes zu bewirken, erfüllt. Es ist jedoch besonders vorteilhaft,
diesen an einem Ende des Brennerrohres anzuordnen. Der Brennerkörper kann aus unterschiedlichen
Werkstoffen bestehen, bevorzugt wird jedoch ein schlecht wärmeleitendes Material.
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Durch die Verwendung solcher Materialien wird eine andere Aufgabe
des Brennerkörpers, die Wärmeisolierung des Brennergriffes, gelöst. Es erweist sich
als besonders günstig, wenn man den Brennerkörper in die Gestaltung des Brennergriffes
miteinbezieht. Bei einer derart vorteilhaften Ausgestaltung bildet der Brennerkörper
einen Teil des Inneren des Brennergriffes, indem er von Griffschalen umschlossen
wird.
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Am anderen Ende des Brennerrohres ist nach der Erfindung der Brennerkopf
vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Gasdüsenaufnahme auf
den Außenmantel des Rohres aufgesetzt. Zur Verbesserung der Wärmeabstrahlung kann
die Gasdüsenaufnahme zusätzlich aufgesetzte Kühlrippen aufweisen. Die Zahl der Kühlrippen
ist nicht kritisch. Vorzugsweise sind 5 bis 6 Kühlrippen vorgesehen. Bevorzugt wird
eine konisch ausgestaltete Gasdüsenaufnahme, die sich in Richtung ihres vorderen
Endes verjüngt, verwendet.
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Das Brennerrohr ist zentrisch in der Gasdüsenaufnahme angeordnet und
ragt aus dieser heraus. Am Ende des Brennerrohres sitzt der Düsenstock, in den die
Stromdüse eingesetzt, vorzugsweise eingeschraubt ist. Der Düsenstock ist in der
Regel in das Brennerrohr eingelötet, um einen guten Stromübergang zu bewirken. Alternativ
ist jedoch auch eine Befestigung mittels Gewinde möglich. In beiden Fällen kann
der Düsenstock bei Bedarf ausgetauscht werden. Der Düsenstock wird vom Gasverteiler
abgedeckt, der eine Verbindung zwischen dem Düsenstock, dem Brennerrohr und der
Gasdüsenaufnahme herstellt.
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Die Isolierung des Brennerrohres kann bis zum Gasverteiler reichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung reicht die
Isolierung jedoch nicht bis zum Gasverteiler, so daß sich die Gaskanäle in Höhe
der Gasdüsenaufnahme zu einem ringförmigen Gasraum erweitern, der in direktem
Kontakt
mit der Gasdüsenaufnahme steht. Dadurch wird ein Wärmeübergang von der Gasdüsenaufnahme
in das Schutzgas möglich, d.h. es erfolgt Kühlung der Gasdüsenaufnahme durch das
Schutzgas.
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Der Gasverteiler ist ein voll auswechselbares Verschleißteil.
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Er bewirkt durch seine Anordnung eine Zentrierung des Düsenstockes
und des Brennerrohrendes in der Gasdüsenaufnahme.
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Am Ende des Brennerrohres sind im Gasverteiler von innen nach außen
laufende Bohrungen derart vorgesehen, daß das Schutzgas aus den Gaskanälen durch
den Gasverteiler austreten kann und gegen die Innenwand der Gasdüse strömt.
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Bei einer bevorzugten Ausführung ist eine dichte Verbindung des Gasverteilers
mit dem Düsenstock, dem Brennerrohr und der Gasdüsenaufnahme vorgesehen. Gegebenenfalls
wird der Querschnitt des Gasverteilers erweitert. Der Gasverteiler kann aufgesteckt
sein, bevorzugt wird jedoch eine Befestigung durch Gewinde. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten.
Der Gasverteiler weist ein Innengewinde zum Aufschrauben auf den Düsenstock oder
das Brennerrohr auf oder besitzt ein Außengewinde zum Einschrauben in die Gasdüsenaufnahme.
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Der Gasverteiler hat weiterhin die Aufgabe, als sogenannter Spritzerschutz
zu wirken. Die gegenüber herkömmlichen Brennköpfen veränderte Anordnung des Spritzerschutzes
bedingt jedoch eine relativ ungeschützte Außenseite der Gasdüsenaufnahme. Zur Vermeidung
dieses Nachteils ist es besonders vorteilhaft, wenn der Innendurchmesser der Gasdüse
an einer Stelle geringfügig erweitert ist und der Gasverteiler an dieser Stelle
an seiner Oberfläche eine Erweiterung besitzt, die in die entsprechende Aussparung
der Gasdüse eingreift, so daß die Außenseite der Gasdüsenaufnahme durch den Gasverteiler
direkt gegen Spritzer abgeschirmt ist.
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Der Gasverteiler besteht aus thermisch belastbaren nichtmettalischen
Werkstoffen und bewirkt ferner die elektrische Isolierung
zwischen
stromführenden Teilen (Brennerrohr, Düsenstock) und nicht-stromführenden Teilen
(Gasdüse, Gasdüsenaufnahme).
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Die Schutzgasführung bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Schweißbrenners,
d.h. die Hauptmenge strömt außerhalb des Brennerrohres in Gaskanälen und tritt an
deren Enden durch Bohrungen im Gasverteiler in den Raum innerhalb der Gasdüse aus,
die kleinere Menge strömt zwischen Draht, Drahtspirale und Innenwand des Brennerrohres
und tritt durch die Stromdüse aus, bewirkt eine so gute Wärmeabfuhr, daß derartige
Brenner auch mit hohen Stromstärken betrieben werden können. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß die Zahl der häufiger auszuwechselnden Verschleißteile gering
ist und diese wegen der verminderten thermischen Belastung längere Standzeiten aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Schutzgas schweißbrenner weisen außerdem gegenüber herkömmlichen
gasgekühlten Brennern ein erheblich vermindertes Gewicht auf.
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Die Erfindung wird nunmehr weiter anhand der Figuren 1, 2 und 3 erläutert.
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Figur 1 zeigt einen Längsschnitt des Schutzgasschweißbrenners in einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch das stromführende Brennerrohr
an der Stelle A-A.
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Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den Brennerkörper an der Stelle
B-B.
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In Figur 1 ist die Gasdüse, die bevorzugt aus Kupfer, Messing, Bronze
oder dergleichen besteht und bevorzugt vernickelt ist, mit 1 bezeichnet. Die Gasdüsenaufnahme
ist mit 7, die aufgesetzten Kühlrippen sind mit 7a beziffert. Der-Federring 8 wirkt
bei aufgeschobener Gasdüse auf deren hier nicht gezeigte Dehnungsschlitze und verleiht
somit der Gasdüse einen
festen und konstant bleibenden Sitz auf
der Gasdüsenaufnahme 7. Zentrisch innerhalb befinden sich das stromführende Brennerrohr
5 mit dem Düsenstock 3 am Ende. Die Stromdüse 2 ist in den Düsenstock 3 eingesetzt,
bevorzugt eingeschraubt.
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Im Brennerkopf wird die Isolierung zwischen den stromführenden Teilen,
dem Brennerrohr 5, dem Düsenstock 3, der Stromdüse 2 und den nicht-stromführenden
Teilen, der Gasdüse 1 und der Gasdüsenaufnahme 7 durch den Gasverteiler 6 bewirkt.
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Die von innen nach außen laufenden Bohrungen 6a im Spritzerschutz
6 ermöglichen den Austritt des Schutzgases aus den Gaskanälen 12. Mit 6b ist die
Querschnittserweiterung des Gasverteilers bezeichnet. Diese Erhebung an der Oberfläche
greift in die entsprechende Aussparung der Gasdüse 1 ein.
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Im Inneren des stromführenden Brennerrohres 5 befindet sich die Drahtführspirale
4 und darin der hier nicht gezeigte Schweißdraht. Zur besseren Wärmeabfuhr von der
Gasdüsenaufnahme 7 ist die isolierende Umhüllung 10 des Brennerrohres 5 im Bereich
der Gasdüsenaufnahme teilweise entfernt, so daß ein ringförmiger Gasraum 9 entsteht.
Die Verbindung zwischen dem nicht näher bezeichneten Brennerkopf und dem hier nicht
gezeigten Schlauchpaket wird durch das ummantelte Brennerrohr 5 (mit 10 ist die
isolierende Umhüllung und mit 11 der Außenmantel des stromführenden Brennerrohres
5 bezeichnet) hergestellt. Zum Anschluß des Schlauchpaketes ist das Ende des Brennerrohres
verstärkt und mit einem Innengewinde 16 versehen. An diesem Ende sitzt der Brennerkörper
13 auf dem Brennerrohr 5.
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Figur 2 zeigt einen Querschnitt A-A durch das ummantelte Brennerrohr.
Bei dem Brennerrohr 5 handelt es sich um ein Rohr mit Außenprofil. Die längs laufenden
Außennuten 12 bilden die Gaskanäle. Die Stege des Außenprofils sind mit 12a bezeichnet.
Im Rohrinneren befindet sich die Drahtführspirale 4 mit dem hier nicht gezeigten
Draht. Das stromführende Profilrohr 5 ist von einer Isolierung 10 umhüllt, beide
befinden sich im Außenmantel 11.
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Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den Brennerkörper 13.
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Dieser weist eine nicht bezeichnete axiale Bohrung auf, von der aus
in den Brennerkörper zusätzliche Nuten 14 eingearbeitet sind. Das Brennerrohr 5
ist in die axiale Bohrung des Brennerkörpers so eingeführt, daß die Stege 12a in
die Nuten 14 greifen und die Nuten des Brennerrohres die Anfänge der Gaskanäle bilden.
Um den Gasstrom zu teilen und den Durchtritt vom Rohrinneren in die Gaskanäle zu
ermöglichen, sind Bohrungen 15 im Brennerrohr vorhanden.
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Bezugszeichenliste 1 Gasdüse 2 Stromdüse 3 Düsenstock 4 Drahtführspirale
5 stromführendes Brennerrohr 6 Gasverteiler 6a Bohrungen durch den Gasverteiler
6b Erweiterung an der Oberfläche des Gasverteilers 7 Gasdüsenaufnahme 7a Kühlrippen
auf der Gasdüsenaufnahme 8 Federring 9 ringförmiger Gasraum 10 isolierende Umhüllung
des stromführenden Brennerrohres 11 Außenmantel des stromführenden Brennerrohres
12 Außennuten des Brennerrohres, die Gaskanäle bildend 12a äußere Stege des Brennerrohres
13 Brennerkörper 14 Nuten der axialen Bohrung im Brennerkörper 15 Bohrungen im Brennerrohr
zur Gasteilung 16 Innengewinde am Brennerrohrende