DE2755461C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schweißbrenner nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solcher Schweißbrenner ist aus der AU-PS 4 60 066 bekannt. Die konstruktive Ausbildung hinsichtlich der Zuführung des Sauerstoffs und des Verbrennungsgases ist in dieser Druckschrift nicht beschrieben. Der zweite Mischteil und die Düse sind als Aufsteckteil ausgebildet, der auf das abgebogene Ende eines die Gasgemischleitung aufweisenden Rohres gesteckt wird. Das Gasgemisch strömt in diesem Schweißbrenner mit Aufsteckteil im wesentlichen ohne Turbulenz, wodurch verhältnismäßig hohe Schweißtemperaturen ermöglicht werden. Der Sauerstoffverbrauch ist bei diesem bekannten Schweißbrenner verhältnismäßig hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Schweißbrenner so auszubilden, daß er bei optimaler Zuführung von Sauerstoff und Verbrennungsgas sehr hohe Flammentemperaturen bei geringem Sauerstoffverbrauch ermöglicht.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Schweißbrenner erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Schweißbrenner wird der Sauerstoffstrom über das Rohr konstanten Querschnittes axial in die erste Mischkammer eingeführt. Er reißt beim Durchströmen des Schweißbrenners einen Ring von Verbrennungsgas mit, das in den Ringraum zwischen der Innenwand der ersten Mischkammer und der äußeren Mantelfläche des Rohres eingeführt wird. Der aus der Düse austretende Gasstrom aus Sauerstoff und Verbrennungsgas bildet eine sehr glatte Flamme mit einem konzentrierten, hohe Temperaturen aufweisenden Mittelbereich. Mit dem erfindungsgemäßen Schweißbrenner können darum extrem hohe Temperaturen erreicht werden. Da der Durchmesser der Gasgemischleitung etwa dem Innendurchmesser des Rohres entspricht, wird der Sauerstoffstrom beim Übertritt aus dem Rohr in die erste Mischkammer nicht oder nur sehr wenig verwirbelt, so daß der aus der Düse austretende Gastrom einen klar begrenzten sauerstoffreichen Kern aufweist. Da die Gasgemischleitung im Verhältnis zu ihrem Durchmesser verhältnismäßig lang ist, kann sich der Gasgemischstrom im Schweißbrenner optimal ausbilden. Es hat sich gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Schweißbrenner anstelle des Verhältnisses von 5 Gewichtsteilen Sauerstoff zu 2 Gewichtsteilen Verbrennungsgas zur angenähert vollständigen Verbrennung das Verhältnis auf etwa 1 : 1 Gewichtsteile verringert werden kann. Der Sauerstoffbedarf wird dadurch erheblich herabgesetzt. Schließlich kann mit dem erfindungsgemäßen Schweißbrenner bei gleichem Gasverbrauch schneller geschweißt werden als mit dem bekannten Schweißbrenner.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem weiteren Anspruch, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schweißbrenners,

Fig. 2 in Explosivdarstellung einzelne Teile des Schweißbrenners gemäß Fig. 1,

Fig. 3 im Schnitt und in vergrößerter Darstellung die Teile gemäß Fig. 2 in zusammengesetztem Zustand,

Fig. 4 in einem Schnitt durch eine Hülse miteinander verbundene Mischteile des Schweißbrenners in einer Stellung, in der Luft durch die Hülse in den Schweißbrenner gelangen kann,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schweißbrenners.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 4 hat der Schweißbrenner 10 einen Griff 11, an dessen Fuß zwei Anschlußstücke 12 mit jeweils einer Drehmutter vorgesehen sind. An die Drehmuttern sind ein Ventil 13 für Sauerstoffzufuhr und ein Ventil 14 für Verbrennungsgaszufuhr angeschlossen, das üblicherweise Acetylen ist; es können aber auch Butan und andere Verbrennungsgase verwendet werden.

Infolge der Drehmutteranordnung kann jedes Ventil 13, 14 in die für den Benutzer des Schweißbrenners günstigste Lage gedreht werden. Dadurch kann der Schweißbrenner für Rechts- und für Linkshänder eingestellt werden.

Der Griff 11 endet an dem von den Anschlußstücken abgewandten Ende in einem Auge 17, das eine Gewindebohrung 18 aufweist, die unter einem Winkel zur Längsachse des Griffes liegt. In die Gewindebohrung 18 münden zwei Zuführleitungen 19 und 20, die im Griff angeordnet sind und Sauerstoff und Verbrennungsgas zuführen. Die Sauerstoff-Zuführleitung 19 ist am rückwärtigen und die Zuführleitung 20 für Verbrennungsgas am vorderen Ende vorgesehen. Die Mündung der Sauerstoff-Zuführleitung 19 liegt hinter der Mündung der Verbrennungsgas-Zuführleitung 20. Die parallel oder annähernd parallel zueinander verlaufenden Zuführleitungen 19, 20 können durch Bohrungen in einem massiven Griff gebildet sein. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch ein gewichtsmäßig leichter Griff verwendet, wie er in den Zeichnungen dargestellt ist.

In die Gewindebohrung 18 ist ein Rohr 24 für den Sauerstoff geschraubt, das ein entsprechendes Gewinde 25 (Fig. 2) aufweist, das sich über einen Teil der Länge des Rohres erstreckt. Das Gewinde 25 ist durch eine ringförmige Vertiefung 26 unterbrochen. Das vordere, stromabwärts liegende Ende des Rohres 24 hat einen Fuß 27, dessen Außendurchmesser in Richtung auf das freie Ende des Fußes abnimmt und der einen zentralen, axial sich erstreckenden und den Sauerstoff leitenden Kanal 28 aufweist, dessen Durchmesser etwa dem maximalen Durchmesser der zu verwendenden Düsenspitze entspricht, der im Ausführungsbeispiel 2,4 mm beträgt. Im Bereich der am stromaufwärts liegenden Ende des Rohres 24 vorgesehenen Vertiefung 26 wird die Wandung des Rohres von einer Vielzahl von radial sich erstreckenden Öffnungen 29 durchsetzt. Wenn das Rohr 24 bis auf den Grund der Gewindebohrung 18 im Auge 17 des Griffes 11 eingeschraubt ist, dann fluchtet die ringförmige Vertiefung 26 mit der Sauerstoffzuführleitung 19. Der Sauerstoff strömt dann durch die Zuführleitung 19, die Vertiefung 26 und die radialen Öffnungen 29 in den Kanal 28. Aus ihm tritt der Sauerstoff als Strahl mit hoher Geschwindigkeit und relativ kleinem Durchmesser aus. Näher zum stromabwärts liegenden Ende der Gewindebohrung 18 befindet sich im Auge 17 eine Gasmischeinrichtung 31, die einen ersten Mischteil 32 aufweist, der an seinem stromaufwärts liegenden Ende einen Gasdiffusionsrand 33 hat, der den verjüngt ausgebildeten Fuß 27 umgibt und sich mit seinem stromaufwärts liegenden Ende an einer Schulter 34 am stromaufwärts liegenden Ende des Fußes 27 abstützt. Der Gasdiffusionsrand 33 hat an seinem stromabwärts liegenden Ende eine zentrale Kammer mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser, die eine erste Mischkammer 35 bildet und in die der einen kleinen Durchmesser aufweisende Sauerstoffstrahl strömt. Der Gasdiffusionsrand 33, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der Gewindebohrung 18, ist mit einer Vielzahl von radial sich erstreckenden, kleinen Durchmesser aufweisenden Öffnungen 37 versehen. Der den Gasdiffusionsrand 33 umgebende Raum steht mit dem stromabwärts liegenden Ende der Zuführleitung 20 in Verbindung. Der Gasdruck in der Zuführleitung 20 und der Sauerstoffstrom wirken beim Betrieb des Schweißbrenners so zusammen, daß das Verbrennungsgas im Sauerstoffstrom nur nahe des Umfangsbereiches mitgerissen wird. Dadurch werden das Verbrennungsgas und der Sauerstoff in der ersten Mischkammer 35 etwas gemischt, obwohl der hindurchtretende Strom verhältnismäßig wenig turbulent ist. Es wird aber angenommen, daß wenigstens in diesem Stadium der Kern des Gasgemischstromes sauerstoffreich ist. Diese Ausbildung stht in völligem Gegensatz zu bekannten Schweißbrennern, bei denen komplizierte Anordnungen vorgesehen werden, um eine gründliche Turbulenz der Gase sicherzustellen.

Wie am besten Fig. 3 zeigt, münden die radialen Öffnungen 37 in einen stromabwärts sich vergrößernden Ringraum. Infolge dieser Anordnung wird bei einem Zurückschlagen, gerade wenn Sauerstoff in den Acetylenschlauch eingetreten ist, die Verbrennungsgefahr innerhalb des Schlauches verringert.

Der erste Mischteil 32 hat nur an seinem stromaufwärts liegenden Ende die erste Mischkammer 35 mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser. Die Mischkammer geht in eine Gasgemischleitung 39 mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser über, die stromabwärts an die Mischkammer 35 anschließt. Die Gasgemischleitung 29 hat bei dieser Ausführungsform den gleichen Durchmesser wie der Kanal 28 (2,40 mm). Das Gasgemisch tritt aus der Gasgemischleitung 39 als verhältnismäßig wenig turbulenter Strahl mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser aus. Die Länge der Gasgemischleitung 39 ist mindestens fünfmal so groß wie ihr Durchmesser, im Ausführungsbeispiel etwa 22 mm. Diese Dimensionierung ist wichtig und muß für einen Schweißbrenner von jeden Abmessungen empirisch bestimmt werden, um optimale Ergebnisse zu erhalten. Auf den mit Außengewinde versehenen Teil des ersten Mischteiles 32, der von der Mündung des Griffes nach außen ragt, ist eine kleine Hülse 41 als Lufteintrittshülse geschraubt. Sie ist über ihre gesamte Länge mit Gewinde versehen und wird von einer Vielzahl von radialen Öffnungen 43, 44 durchsetzt, die in eine flache Nut 42 in der äußeren Mantelfläche münden. Die Hülse 41 hat drei verhältnismäßig große Öffnungen 43 und drei verhältnismäßig kleine Öffnungen 44. Diese Anordnung ist besser geeignet, ein Zurückschlagen zu begrenzen, als wenn alle Öffnungen gleich groß wären; dies würde zu ungleichmäßigen Gasgemischen innerhalb des Schweißbrenners führen.

Die Öffnungen 43, 44 sind etwas stromabwärts vom stromabwärts liegenden Ende des ersten Mischteiles 32 vorgesehen. Das stromabwärts liegende Ende des ersten Mischteiles 32 ist mit einem kleinen vorstehenden Auge 46 versehen, das sich in Richtung auf sein Austrittsende verjüngt. Wenn die Öffnungen 43, 44 in bezug auf den aus dem ersten Mischteil 32 austretenden Gasstrahl geöffnet sind, wird mit ihm Luft mitgerissen, wie in Fig. 4 dargestellt ist.

In das andere, stromabwärts liegende Ende der Hülse 41 ist ein zweiter Mischteil 48 der Gasmischeinrichtung 31 geschraubt. Er hat ein Gewinde, das sich über den größten Teil seiner Länge erstreckt und zwischen seinen Enden durch eine Vertiefung 49 unterbrochen ist. Dadurch kann eine Bedienungsperson schnell feststellen, ob der Mischteil 48 ausreichend zurückgeschraubt worden ist, um die Lufteinlaßöffnungen 43, 44 freizugeben. Sie werden nur gelegentlich freigegeben, wenn der Schweißbrenner zum Erwärmen des Metalls benötigt wird, im Unterschied zum Schweißen von Metall, und wenn große Flächen von Gas mit verhältnismäßig geringer Temperatur benötigt werden, um aus der Brennerdüse auszutreten. Normalerweise ist der zweite Mischteil 48 so weit auf den ersten Mischteil geschoben, daß er an einer Kegelmantelfläche 50 des ersten Mischteiles 32 anliegt (Fig. 3), die das Auge 46 des stromabwärts liegenden Endes des ersten Mischteiles umgibt. Im Mischteil 48 ist eine zentrale Öffnung mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser vorgesehen, die eine zweite Mischkammer 52 bildet. Sie hat größeres Volumen als die erste Mischkammer 35.

Auf das stromabwärts liegende Ende des zweiten Mischteiles 48 ist eine Düse 53 geschraubt, deren Bohrung 54 gleichen Durchmesser hat wie die zweite Mischkammer 52. Die Bohrung 54 wird an ihrem stromabwärts liegenden Ende durch eine auf einem Kegelmantel liegende Wandung 55 begrenzt und geht in eine Auslaßöffnung 56 über. Die Wandungen der Bohrung 54, der Auslaßöffnung 56 und der zweiten Mischkammer 52 werden so glatt wie möglich hergestellt. Je glatter die Oberfläche ist, desto besser ist die Wirkungsweise des Schweißbrenners. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Wände der zweiten Mischkammer 52 poliert, um eine hohe Glätte zu erhalten. Es hat sich auch herausgestellt, daß die Länge der Bohrung, die durch die zweite Mischkammer 52 und das stromaufwärts liegende Ende der Düse 53 gebildet wird, in einem bestimmten Verhältnis zu ihrem Durchmesser stehen sollte, sofern die Bohrung nicht sehr lang ist. Für praktische Zwecke sollte jedoch diese Bohrung so kurz wie möglich sein, und größer als das Achtfache des Bohrungsdurchmessers sein.

Im Ausführungsbeispiel beträgt die Bohrungslänge das 11,25fache des Bohrungsdurchmessers, d. h. bei einem Bohrungsdurchmesser von 6,4 mm muß die Bohrungslänge etwa 72 mm betragen. Es hat sich herausgestellt, daß die Bohrungslänge ein ungeradzahlig Vielfaches des 1,25fachen und wenigstens des 8,75fachen des Durchmessers betragen sollte, um die gewünschten Mischbedingungen zu erhalten. Wenn die Bohrungslänge das 11,25fache des Bohrungsdurchmessrs überschreitet, nimmt die kritische Bohrungslänge beim beschriebenen Ausführungsbeispiel fortschreitend ab, und die Ergebnisse werden zunehmend verbessert. Diese Verbesserung ist allerdings so gering, daß in den meisten Fällen größere Längen nicht erforderlich sind. Es hat sich auch als wünschenswert herausgestellt, den Kegelwinkel der auf einem Kegelmantel liegenden Wandung 55 zu beeinflussen, die das zweite Ende der zweiten Mischkammer 52 bildet. Im Ausführungsbeispiel beträgt dieser Kegelwinkel ungefähr 54°. Er sollte zwischen 45° und 65° liegen. Je näher allerdings der Kegelwinkel bei 54° liegt, desto besser sind die Ergebnisse. Dies dürfte mit der Ablenkung der Gaspartikel oder Gasmoleküle durch die Bohrungswandung zusammenhängen.

Es hat sich ferner herausgestellt, daß der Durchmesser der Auslaßöffnung 56 der Düse 53 eine kritische Größe dargestellt. Im Ausführungsbeispiel sind drei ausreichende Durchmesser ermittelt worden, von denen der erste 0,90 mm, der zweite 1,3 mm und der dritte 2,4 mm beträgt. Der größte Durchmesser von 2,4 mm entspricht dem Durchmesser des Kanals 28 des Rohres 24 und der ersten Mischkammer 35. Im Bereich zwischen den oben angegebenen Durchmessern liegende Durchmesserwerte ergeben schlechtere Ergebnisse. Im Betrieb wird das Gas bei geringem Druck (ungefähr 28 × 10^{- 2} at oder 28 KPa) in gleichem Volumen dem Schweißbrenner zugeführt, und nicht in dem theoretischen Verhältnis von 80 : 32 von Sauerstoff zu Acetylen. Die Flammentemperatur wird jedoch in einem sehr kleinen Durchmesser äußerst hoch. Bei Verwendung der kleinsten Düse hat ein blauer glatter Kegel ungefähr 19 mm Länge, bei einer mittleren Düse 29 mm und bei einer großen Düse 16 mm Länge. Bei Verwendung von Butan und Sauerstoff läßt sich bei einem Volumenverhältnis von 1 : 1 ausreichend arbeiten; jedoch ist die Temperatur wesentlich geringer als mit Acetylen.

Es ist bekannt, daß die erste Verbrennung des blauen Kegels Kohlenmonoxid und Wasserstoff und die zweite Verbrennung der umgebenden Flamme Kohlendioxid und Wasserdampf liefern. Die umgebende Flamme ist jedoch nicht sauerstoffreich, und es wird zur Bildung der umgebenden Flamme Sauerstoff durch die gleichmäßig strömenden Gase aus der Atmosphäre mitgerissen. Diese mitgerissene Sauerstoffmenge ist sehr viel größer als bei den bekannten Schweißbrennern. Das Schweißen findet unter solchen vorteilhaften Bedingungen statt, daß nur eine vernachläßigbare Metalloxidation auftritt. Dadurch wird das Schweißen von schwierigen Metallen, wie Aluminium und Magnesiumlegierungen, erleichtert.

Wie Fig. 3 zeigt, liegen der Kanal 28 des Rohres 24, die erste Mischkammer 35, die Gasgemischleitung 39, die zweite Mischkammer 52 und die Düsen 53 koaxial hintereinander. Dadurch ist es möglich, für den Sauerstoff und das Verbrennungsgas gleiche Drücke zu verwenden. Außerdem wird dadurch die Gefahr verringert, daß Sauerstoff in die Zuführung für das Verbrennungsgas eindringt. Es hat sich gezeigt, daß mit dem beschriebenen Schweißbrenner sehr hohe Temperaturen erreicht werden können. Der zentrale Sauerstoffstrom, der in die erste Mischkammer 35 eintritt, reißt hierbei einen Ring von Acetylen mit. Die Luft aus der Atmosphäre wird infolge der glattströmenden, nicht turbulenten Strömung im Schweißbrenner in den acetylenreichen Ring mitgerissen. Das die Schweißzone umgebende Gas enthält Wasserdampf, Stickstoff und Kohlendioxid, so daß eine Korrosion im Bereich der Schweißzone in starkem Maße verringert wird. Außerdem tritt im Zentrum der Flamme eine höhere Temperatur auf als bei bekannten Schweißbrennern; dies dürfte auf die ungleichmäßige Verbrennung, über den Querschnitt der Flamme gesehen, zurückzuführen sein.

Infolge der beschriebenen Ausbildung ist mit dem Schweißbrenner ein Mikroschweißen möglich.

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform des Schweißbrenners ist im wesentlichen gleich ausgebildet wie das erste Ausführungsbeispiel. Für gleich Teile werden darum auch gleiche Bezugszeichen verwendet. Der Griff 11 weist einen gasführenden Block 60 auf, der nahe einem Ende eines zylindrischen Teiles 61 befestigt ist, der anstelle des Auges des Griffes der vorigen Ausführungsform vorgesehen ist. Am Teil 61 sind das sauerstofführende Rohr und der erste Mischteil angeschraubt. Der Block 60 ist mit zwei dünnen flexiblen Rohren 62 zur Aufnahme von (nicht dargestellten) Ventilen versehen. Der Schweißbrenner kann wie ein Bleistift zwischen den Fingern gehalten werden. Es kann jedoch auch ein einfacher, rohrförmiger Griff 63 vorgesehen sein, der über den Schweißbrenner geschoben werden kann und sich auf dem zylindrischen Teil 60 zur Bildung eines Griffes zum Handschweißen befestigen läßt, wenn dies notwendig ist.

Claims (2)

1. Schweißbrenner mit jeweils einer Zuführleitung für Sauerstoff und für Verbrennungsgas, die mit einer ersten Mischkammer eines ersten Mischteiles leitungsverbunden sind, an die eine Gasgemischleitung anschließt, deren Länge größer ist als deren Durchmesser, mit einer der Gasgemischleitung nachgeschalteten zweiten Mischkammer eines zweiten Mischteiles, an den eine Düse anschließt, wobei die Länge der zweiten Mischkammer größer ist als deren 8facher Durchmesser, der seinerseits größer ist als der Durchmesser der Gasgemischleitung im Anschluß an die erste Mischkammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffstrom über ein Rohr (24) konstanten Querschnittes axial in die erste Mischkammer (35) eingeführt wird, daß das Rohr (24) an seiner äußeren Mantelfläche in Strömungsrichtung konisch verjüngt ausgebildet ist, daß das Verbrennungsgas in den Ringraum zwischen der Innenwand der ersten Mischkammer (35) und der äußeren Mantelfläche des Rohres (24) eingeführt wird, und daß der Durchmesser der Gasgemischleitung (39) etwa dem Innendurchmesser des Rohres (24) entspricht und die Länge der Gasgemischleitung (39) wenigstens das 5fache ihres Durchmessers beträgt.

2. Schweißbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der ersten Mischkammer (35) eine Vielzahl von radial liegenden Öffnungen (37) hat, die in den Ringraum münden und die die Zuführleitung (20) für das Verbrennungsgas mit der ersten Mischkammer (35) verbinden.