-
Thermisch hoch beanspruchte Elektrode
-
Die Erfindung betrifft eine thermisch hoch belastete Elektrode mit
einem im Bereich der Elektrodenarbeitsfläche liegenden von Kühlmitteln durchflossenen
zylindrischen an beiden Enden durch Abschlußwände begrenzten Hohlraum - Kühlraum
-und einem in diesem hineinragenden Kühlmittelrohr.
-
Bei einer derartigen Elektrode ist eine große Standzeit der Elektrodenarbeitsfläche
und damit eine lange Elektrodeneinsatzdauer bei geringem Kühlmittel verbrauch erwünscht,
damit die Wirtschaftlichkeit des Schweiß-Fertigungsverfahrens, z.B. die Kosten für
Nacharbeit bzw. neue Elektrode, Fertigungsunterbrechung usw., verbessert und durch
eine höhere Güte über eine längere Einsatzdauer auch der Aufwand für die Güteüberwachung
verringert wird.
-
Bekannt sind z.B. aus den deutschen Patentschriften Off. 181 42 31
und Off. 20 01 439 Elektroden für elektrische Punktschweißmaschinen, die mit Wasser
gekühlt werden, und bei denen im Bereich der Elektrodenarbeitsfläche ein wassergekühlter
zylindrischer Hohlraum- Kühlraum- mit einem in diesen hineinragenden an einem Ende
abgeschrägten Kühlwasserrohr angeordnet ist, der an beiden Enden durch zu seiner
Achse senkrechte Abschlußwände begrenzt ist. Die zur Elektrodenarbeitsfläche hin
liegende Abschlußwand des Kühl raumes, Boden genannt, ist eben oder zur Vergrößerung
der Kühlfläche uneben und u.a. mit auf konzentrischen Kreisen angeordnete Erhebungen
mit dreieckigem Querschnitt ausgebildet. Die dem Boden gegenüberliegende, ebene
Abschlußfläche des Kühl raumes ist entweder Bestandteil des entgegengesetzt zur
Elektrodenarbeitsfläche liegenden Teiles einer Vollelektrode oder die ebene Begrenzung
eines am oberen Ende konisch bearbeiteten Schaftes -Elektrodenhalters-, auf den
eine bis in den Kühl raum axial entsprechend aufgebohrte Elektrodenkappe aufgesetzt
ist. Der Schaft der Elektrode bzw.
-
der Elektrodenhalter ist, zwecks Durchführung eines Kühiwasserzufuhrrohres
und der Ableitung des Kühlwassers aus dem Kühl raum mit einem gegenüber dem außeren
Durchmesser des Kühlwasserrohres erheblich größeren Durchmesser,
axial
durchbohrt. Das im Kühiraum-befindliche Ende des Kühlwasserrohres ist einseitig
abgeschrägt und wird mit der Spitze des abgeschrägten Endes am Boden des Kühl raumes
zur Anlage gebracht.
-
Diese bekannte Ausführung hat den Nachteil, daß die Kühlung der E#ektrode
bzw. die Wärmeabfuhr aus den Wänden des Kühlraums selbst bei hohem Kühimitteldurchsatz
nicht befriedigend ist. Dies wird auf den verhältnismäßig großen Kühlraum zurückgeführt,
der eine ungleichmäßige Kühlwasserströmung zuläßt, was durch Ausströmen des Kühlwassers
aus einer ellipsenförmigen Uffnung des einseitig abgeschrägten Kühlwasserrohrendes
begünstigt wird, da das Kühlwasser in einem Strahl mit unbekanntem Querschnitt und
Geschwindigkeitsverteilung schon ungleichmäßig, teils gegen die gegenüberliegende
zylindrische Wand, teils gegen den Boden des Kühlraumes gerichtet ist und sich dann
willkürlich in den Kühl raum ausbreitet, wobei u.a. das Kühlwasser teilweise auf
dem kürzesten Wege durch die spaltförmigeAbflußöffnung zwischen Kühlwasserrohr und
der Bohrung in dem sich an den Kühl raum anschließenden Teil der Vollelektrode bzw.
im Schaft der aus Elektrodenkappe und Schaft bestehenden Elektrode abfließt, wodurch
zumindest die an dem zur Kühlwasserrohr-Austrittsöffnung entgegengesetzt liegenden
zylindrischen Kühlraumwandteil und die am Boden des Kühl raumes vorbei fließende
Kühlwassermenge und somit auch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwasser nicht
nur weit geringer, sondern auch ungleichmäßiger verteilt sind, als auf der Seite
des abgeschrägten Kühlwasserrohrendes.
-
Infolgedessen ist der Wärmeübergang vom Boden und der zylindrischen
Wand des Kühl raumes auf das Wasser sehr ungleich, so daß die Elektrode bzw. Elektrodenarbeitsfläche
ungenügend gekühlt und nur eine vergleichsweise geringe Elektrodenstandzeit selbst
bei großem Wasseriurchsatz erreicht wird.
-
Bei geringer Elektrodenstandzeit sind nicht nur die Kosten für Reparatur
oder Erneuerung der Elektrode und der damit verbundenen Fertigungsunterbrechung
sondern auch, da die Güte der Schweißergebnisse im Verlauf der Elektrodennutzungsdauer
schwankt und gegen Ende der Elektrodenstandzeit eine deutlich abfallende Tendenz
aufweist, die eine entsprechende Güteüberwachung der Schweißpunkte erfordert, der
Aufwand für.die Güteüberwachung der Schweißpunkte hoch.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elektrodenstandzeit
zu verbessern, den Kühl mi ttel verbrauch zumindest nicht zu erhöhen, sondern zu
verringern.
-
Bekanntlich ist die Elektrodenstandzeit u.a. abhängig von der Kühlung
der Elektrode bzw. von der Wärmeübertragung der Elektroden-Kühlraumwandflächen an
das Kühlmittel. Die Wärmeübertragung kann durch Vergrößerung der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit,
sowie durch Einhalten einer möglichst gleichmäßigen, dünneren Schichtstärke des
Kühlmittels an den Wänden des Kühlraumes und / oder durch Vergrößerung der Oberfläche
der Kühlraumwände, verbessert werden.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß einmal dadurch gelöst, daß der Abstand
des senkrecht zur Kühlmittelrohrachse bearbeiteten Endes eines zentral im Kühl raum
angeordneten Kühlmittel rohres zum Boden des Kühl raumes sehr klein gehalten , (41
- 3 mm) und aus dem Kühlmittel rohrdurchmesser und der Kühlmittelmenge ermittelt
wird, wobei der radiale Kühlmitteldurchflußquerschnitt zwischen der Rohrwand des
Kühlmittelrohrendes und dem Boden des Kühl raumes kleiner als der Ausflußquerschnitt
des Kühlmittelrohrendes ist und daß außerdem der einen ringförmigen Kühlmittel-Durchflußspalt
bildende Abstand zwischen Kühlmittelrohraußenwand und zylindrischen Wand des Kühl
raumes auf dem jeweiligen Umfang gleich ist.
-
Durch diese erfindungsgemäße Ausführung und Anordnung des Kühlmittel
rohres wird der Wärmeübergang vom Boden auf das Kühlmittel erheblich verbessert.
-
Da erfahrungsgemäß der größere Teil der Wärmeabfuhr aus der Elektrode
durch den Wärmeübergang vom Boden auf das Kühlmittel erfolgt, wird durch die erfindungsgemäße
Anordnung des Kühlmittel rohres schon eine wesentliche Verlängerung der Elektrodenstandzeit
erreicht. Außerdem ist infolge der zentrischen Anordnung des Kühlmittelrohres im
Kühl raum der Abstand zwischen Kühlmittelrohraußenwand und der zylindrischen Kühlraumwand
gleich, wodurch die#spezifische Wärmeabfuhr in allen Ebenen senkrecht zur Kühlraumachse
bei symmetrischer Erwärmung der Elektroden von der zylindrischen Wand des Kühl raumes
durch das Kühlmittel gleich ist. Die spezifische Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel
von der zylindrischen Wand ist jedoch geringer als die vom Boden.
-
Dies ist u.a. auf die mit dem Abstand vom Boden abnehmende Temperatur
der Wand des zylindrischen Kühl raumes und auf den gegenüber dem Kühlmittelzuflußquerschnitt
großen
Querschnitt zwischen zylindrischer Wand des Kühl raumes und der Kühlmittelrohr-Außenfläche
und der damit verbundenen geringeren mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels
zurückzuführen.
-
Eine zusätzliche Verbesserung der Elektrodenstandzeit wird durch Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im zylindrischen Teil des Kühl raumes
durch eine weitere Ausbildung der Elektrode dadurch erreicht, daß der ringförmige
Spalt zwischen der zylindrischen Kühlraumwand und der Kühlmittelrohraußenwand durch
Anordnung eines Kühlmittel rohres mit einem entsprechend großen Außendurchmesser
im Bereich des zylindrischen Teiles des Kühl raumes einen gleichen oder vom Kühlmittelrohraustrittsquerschnitt
abweichenden, kleineren Durchflußquerschnitt hat.
-
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung bei der der Strömungsquerschnitt
im Kühl raum kleiner und gleich dem Austrittsquerschnitt des Kühlmittel rohres ist,
strömt das Kühlmittel mit höherer Geschwindigkeit als bei den bekannten Elektroden
in einer fast überall gleich starken bzw. dünnen Schicht und gleich hoher Geschwindigkeit
unmittelbar an den zu kühlenden Wänden vorbei durch den Kühl raum. Infolgedessen
ist ein guter Wärmeübergang von den Kühlraumwänden auf das Kühlmittel gewährleistet
und außerdem ist die Temperatur des Kühlmittels über die Schichtstärke, bedingt
u.a. durch die turbulente Form der Strömung in jedem Querschnitt vor allem in dem
zylindrischen Teil des Kühlraumes praktisch gleich, was bei den bekannten Ausführungen
wegen des verhältnismäßig großen Kühlraumdurchströmquerschnittes nicht der Fall
ist.
-
Durch die getroffenen erfindungsgemäßen Maßnahmen werden die Eigenschaften
des Wassers als Kühlmittel berücksichtigt, daß Wasser ein schlechter Wärmeleiter
ist, und nur die Schichten der Wasserströmung Wärme abführen können, die an der
zu kühlenden Wand unmittelbar vorbei fließen.
-
Dies ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Elektrode berücksichtigt
und deshalb kann, weil diese Ausführung das Wasser gleichmäßiger und damit besser
ausnutzt, der Wasserverbrauch, wie Erprobungen zeigen, erheblich gegenüber dem Wasserverbrauch
der bekannten Elektroden gesenkt werden.
-
Diese erfindungsgemäß ausgebildete Elektrode hat gegenüber der bekannten
den Vorteil, daß das Kühlmittel nicht nur am Boden radial mit sehr großer Geschwindigkeit
und
gleichmäßiger Schichtstärke sondern auch im ringförmigen Spalt mit zwar gegenüber
der Geschwindigkeit am Boden verringerter jedoch großer Geschwindigkeit und entsprechender
gleichmäßiger dünner Kühlmittelschichtstärke vorbei fließt. Infolgedessen ist der
Wärmeübergang von den Kühlraumwänden an das Kühlmittel groß und die Kühlung der
Elektrodenarbeitsfläche so intensiv, daß wie Erprobungen auch gezeigt haben, nicht
nur die Elektrodenstandzeiten erheblich erhöht, sondern auch der Kühlmittel verbrauch
gegenüber dem bei den bekannten Elektroden verringert wird.
-
Eine noch weitere Verbesserung der Elektrodenstandzeit wird durch
Vergrößerung der Oberfläche des Kühlraumbodens erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß der Boden des zylindrischen Kühl raumes mit einer Vielzahl von radial verlaufenden
Nuten geringer Höhe und Breites versehen ist, gegen die das senkrecht zur Kühl mittel
rohrachse eben bearbeitete Ende des Kühlmittel rohres bis zur Anlage gebracht wird.
-
Diese erfindungsgemäße Elektrode mit radialen Nuten im Kühlraumboden
hat gegenüber Elektroden mit glattem Boden den Vorteil, daß bei gleichen radialen
Kühlmitteldurchflußquerschnitt die Kühlmittelberührungsfläche ein Mehrfaches ist
und das Kühlmittel an den Nutenflächen, diese allseitig gleichmäßig berührend, mit
hoher Geschwindigkeit vorbeifließt. Durch die vergrößerte Kühlmittelberührungsfläche
wird die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel weiter verbessert und somit auch die Elektrodenstandzeit
weiter verlängert und der Wasser bzw.- Kühlmittel verbrauch kann weiter verringert
werden.
-
Die Vorteile der Elektroden mit im Kühlraumboden radial angeordneten
Nuten können mit den bekannten Elektroden mit im Kühl raum konzentrisch angeordneten
Nuten u.a. deshalb nicht erreicht werden, weil das Kühlmittel an den Nutenoberflächen
nicht allzeitig mit gleichmäßig hoher Strömungsgeschwindigkeit vorbeifließt.
-
Eine weitere Elektrodenausbildung gemäß der Erfindung besteht darin,
daß die zylindrische Wand des Kühl raumes mit axialverlaufenden Nuten versehen ist,
deren Gesamtdurchflußquerschnitt kleiner -oder gleich dem Kühl mittel rohraustrittseuerschnitt
ist.
-
Diese Elektrodenausbildung hat den Vorteil, daß, da der Boden glatt
und nur die Wand des Kuthiraumes mit Nuten versehen ist, leichter herstellbar ist,
wobei die Wärmeabfuhr wegen der vergrößerten Oberfläche der Kühlraumwand weit
besser
als bei den bekannten Elektroden und den Elektroden nach Anspruch 1 u. 2 ist.
-
Die größte Verbesserung der Elektrodenstandzeit gegenüber den bekannten
Elektrodenausbildungen wird dadurch erreicht, daß die radial verlaufenden Nuten
im Boden.des zylindrischen Kühlraumes sich axial in der Wand des zylindrischen Teiles
des Kühl raumes fortsetzen.
-
Der Vorteil dieser Elektrode besteht darin, daß der Wasserdurchfluß
durch den Kühl raum mit großer Geschwindigkeit und gleichmäßig dünner Strömungsschicht
erfolgt und zusätzlich die Oberflächen der Kühlraumwände, Boden und zylindrische
Wand, durch Nuten um ein Mehrfaches vergrößert sind. Bei dieser Elektrode kommen
alle die Elektrodenstandzeit verlängernden und den Kühl mit tel bzw. Wasserverbrauch
verringernden erfindungsgemäßen Ausbildungen der Elektrode zur Anwendung.
-
Die Elektrodenstandzeit wird vor allem bei hoher Beanspruchung wesentlich
erhöht und der Wasserverbrauch kann auf einen Bruchteil des bei der bekannten Elektrode
üblichen gesenkt werden.
-
Die genaue Einstellung des Abstandes des senkrecht zur Kühlrohrachse
bearbeiteten Kühlrohrendes zum Boden des Kühl raumes ist beschwerlich und nicht
ohne weiteres überprüfbar.
-
Um eine sichere Einhaltung des erforderlichen Abstandes des Kühlrohrendes
vom Boden des Kühlraumes zu ermöglichen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die
Rohrwand des senkrecht zur Kühlrohrachse bearbeitenden Endes des Kühlmittelrohres
mit einer oder mehreren Nocken zu versehen, deren Höhe gleich dem erforderlichen
Abstand des Kühlrohrendes vom Kühlraumboden ist.
-
Der Vorteil dieser Nocken besteht darin, daß das Kühl mittel rohr
bis zur Anlage des oder der Nocken an den Boden des Kühl raumes axiale verschoben
und festgelegt wird.
-
Da der Außendurchmesser des im Bereich des zylindrischen Teiles des
Kühlraumes hineinragenden Kühl rohres durch den für den Kühlmittel durchfluß benötigten
Spalt-Querschnitt
zwischen zylindrischer Kühlraumwand und Rohraußenwand bestimmt wird, und je nach
Auslegung der Elektrodenkühlung die Kühlmittel rohr-Zuleitung der Schweißmaschine
vielfach einen von dem im Kühl raum benötigten Rohraußendurchmesser abweichenden
Durchmesser hat und es nicht möglich ist, Rohre mit anderen Rohrdurchmessern einzubauen,
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Außendurchmesser des Kühlmittel rohres im
Bereich des zylindrischen Teiles des Kühl raumes durch Oberschieben oder durch Anbringen
eines zylindrischen Ausgleichsstückes mit Innenbohrung auf den notwendigen Außendurchmesser
zu bringen.
-
Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung des Kühl mi ttel rohres
im Bereich des zylindrischen Teils des Kühl raumes besteht darin, daß sie die Verwendung
der Elektroden erfindungsgemäßer Ausführung auch bei solchen Maschinen gestattet,
deren Kühlmittel zuleitungen zur Elektrode nicht den für die Elektrode benötigten
Rohraußendurchmesser haben. Außerdem ist diese Maßnahme mit einfachen Mitteln durchzuführen.
-
Alle erfindungsgemäßen Elektroden sind sowohl als Vollelektrode als
auch als aus Elektrodenhalter und Elektrodenkappe bestehende Elektroden ausführbar
und wird hierfür Schutz beansprucht.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Vollelektrode 1 mit
einem als Kühl raum 2 ausgebildeten Innenraum einer zylindrischen Wand 3 und einem
Boden 6 des Kühlraumes 2 wobei die Länge L des Kühl raumes in der Regel kleiner
als der Außendurchmesser der Elektrode sein kann. Eine Elektrodenarbeitsfläche 14,
ein Kühl mittel rohr 4 mit Außenmantel 5, ein Kühlmittelrohrende 9, ein symmetrisch
zur Kühlraumachse sich erstreckender Kühlmitteldurchfiuß-Spaltquerschnitt 7 und
einem vielfach erweiterten Abflußquerschnitt 8; Fig. 2 eine Volielektrode 1, einem
Kühlmittelrohr 4 mit vergrößertem Außendurchmesser d und einem gegenüber Fig. 1
kleineren Kühlmitteldurchflußquerschnitt 7; Fig. 3 eine Vollelektrode 1 mit Kühlraum
2, dessen Durchmesser D des zylindrischen Teils gleich dem des Kühlmitteiabflusses
8 und dessen Boden 6 mit radial verlaufenden Nuten 10 versehen ist.
-
Fig. 4 eine Vollelektrode 1, deren zylindrische Kühlraumwand 3 mit
einer Vielzahl von axial verlaufenden Nuten 11 versehen ist, die sich bis an die
Kühlmittelrohraußenwand 5 erstrecken; Fig. 5 eine Vollelektrode 1 mit Kühlmittel
rohr 4, einem Kühlraumboden 6 mit radial verlaufenden Nuten 10, die im zylindrischen
Teil des Kühlraumes 2 in axial verlaufende Nuten 11 übergehen; Fig. 6 eine Vollelektrode
1, ein Kühlmittel rohr 4, ein Kühlmittelrohrende 9, auf dessen Wand Nocken 12 aufgesetzt
oder herausgearbeitet sind; Fig. 7 eine Vollelektrode 1, ein Kühlmittelrohr 4, ein
aufgesetztes Ausgleichsstück 13 mit einem gegenüber dem Kühlmittel rohr 4 vergrößerten
Außendurchmesser; Fig. 8 eine Elektrode bestehend aus einem Elektrodenhalter 16
und Elektrodenkappe 17 mit Außenkonus 18, und Kühl raum 2, einem mit radialen Nuten
10 versehenen Boden 6, die sich im zylindrischen Teil des Kühl raumes 2 als axiale
Nuten 11 fortsetzen.
-
Fig. 9 eine Elektrode bestehend aus einem Elektrodenhalter 19 und
Elektrodenkappe 20 mit Innenkonus 21, einem Kühl raum 2, einem mit radialen Nuten
10 versehenen Boden 6 die sich im Kühl raum 2 als axiale Nuten 11 fortsetzen.