DE3319840C2 - Mikroplasmabrenner, insbesondere Mikroplasma-Schweißbrenner - Google Patents

Abstract

Der vorliegende Brenner soll u. a. mit minimalen Abmessungen sowie wartungsfreundlich gestaltet sein und selbst unter extrem engen Maschinenbauteilzugänglichkeiten eine optimale Schweißleistung und -güte gewährleisten. Hierzu sollen sämtliche wesentlichen Brennerbauteile in einen flach bauenden, im rechten Winkel gegenüber dem zugehörigen Grundkörper abgekröpften Brennerkopf integriert sein, der zugleich Bestandteil dieses Grundkörpers ist; der Grundkörper soll mit einer parallel dazu verlaufenden, oberen Abdeckplatte verknüpft sein, die nebst darin integrierter Kathoden(Zünd-)-stronleitung formschlüssig in die obere planparallele Brennerkopffläche übergeht; im Grundkörper sollen ferner voneinander getrennte, parallel nebeneinander verlaufende Rohre für die Plasma- und Schutzgaszufuhr in den Brennerkopf sowie ein weiteres äußeres Rohr vorgesehen sein, das für die Hin- und Rückführung eines flüssigen Kühlmittels zum bzw. vom Brennerkopf in den letzteren halbkreissymmetrisch eingebettet ist.

Description

— das Plasmagas zwischen dem Düsenkörper (3) und dem darin eingesetzten Kathodenstromisolator (21) geführt ist,

— die Kathode (2) in den Isolator (21) eingesetzt, darin zentriert und am von der Zuspitzung abgewandten Ende als Kugelkopf fK^ erweitert ist mit dem sie stromkontaktschlüssig zwischen einer rückwärtigen, eine Kathodenstromleitung (8) enthaltenden Brennerabdeckung (7) und dem Isolator (21) am Düsenkörper (3) verklemmt ist.

2. Mikroplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der brennerkopfseitige Abschnitt des Grundkörpers (6) eine brennerachskonzentrische Ausnehmung (18) zur Aufnahme eines Gastrenneinsatzes (19) aufweist, in welchen der Düsenkörper (3) lösbar eingesetzt ist und welcher eine außen von der Brennerabdeckung (7) hermetisch verschlossene Plasmagaskammer (20) einschließt, die mit der Plasmagasführung, zwischen dem Düsenkörper (3) und dem Isolator (21), kommuniziert.

3. Mikroplasmabrenner nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasringkammer (17) zwischen dem Gastrenneinsatz (19) und einer axial nachgeschalteten Siebkammer (15) ausgebildet ist, die über eine Reihe gleichförmig in Brennerumfangsrichtung verteilter Bohrungen (16) im brennerkopfseitigen Abschnitt des Grundkörpers

(6) mit der Schutzgasringkammer (17) verbunden ist, wobei die Siebkammer (15) und eine sich daran anschließende Schutzgasabströmöffnung (5) durch eine von außen auf den brennerkopfseitigen Abschnitt des Grundkörpers (6) aufgeschraubte Hülse (14) in konzentrisch ringförmiger Beanstandung zum Düsenkörper (3) ausgebildet sind.

4. Mikroplasmabrenner nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerabdeckung

(7) aus einem hoch-temperaturbeständigen keramisehen Werkstoff gefertigt und zugleich als planparallel geführte Abdeckung des Grundkörpers (6) sowie der parallel zueinander darin angeordneten Kühlwasser- bzw. Plasma- und Schutzgasleitungen (12 bzw. 10,11) ausgebildet ist

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikroplasmabrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Brenner ist aus der US-PS 42 50 373 bekannt und wird im Detail an entsprechender Stelle nachfolgend noch ausführlich sachlich behandelt

Zum Beispiel im Gasturbinentriebwerksbau, wie aber auch in anderweitigen, beispielsweise feinwerkstechnischen Bereichen wird der Einsatz von Brennern der eingangs genannten bekannten Art durch die Ausbildung vorgegebener Maschinenkomponenten stark behindert oder nahezu unmöglich gemacht

Sollen beispielsweise bei einer Strömungsmaschine, insbesondere bei einem Gasturbinentriebwerk, in einem verhältismäßig geringen radialen Abstand sowie im wesentlichen parallel zueinander verlaufend, an einem gemeinsamen Rotor- oder Statorteil befindliche Labyrinthdichtspitzen durch Auftragsschweißen nachgebessert werden, so gelingt dies für die radial innen liegenden Labyrinthspitzenpartien kaum oder nur insoweit, als der nebst Grundkörper senkrecht geführte Brenner nicht mit der benachbarten Stirnfläche des radial außen liegenden Labyrinthspitzenbauteils kollidiert.

Duich leichte Schräglagerung des Brenners nebst Grundkörper besteht zwar die Möglichkeit, die Bauteileindringtiefe gegebenenfalls etwas zu erhöhen, was jedoch im Regelfall zu einem ungleichförmigen Schweißauftrag führt — abgesehen von zeit- und kostengünstigen Montagearbeiten.

Die wesentliche Grenze für die genannte Schrägverlagerung zur Erzielung einer erhöhten Eindringtiefe zum Auftragsschweißen ist jedoch durch das aus zunehmender Schrägverlagerung des Brenners nebst Grundkörper resultierende Wegkippen des Schweißbades gesetzt.

Ein wesentlicher Nachteil des aus der US-PS 42 50 373 bekannten Schweißbrenners wird in einem verhältnismäßig komplizierten und vergleichsweise großvolumigen Aufbau gesehen, um die erforderliche Schweißleistung und -gute zu gewährleisten, was aber wiederum zu Lasten eines schmalen Einsatzspektrums geht, wenn ganz allgemein räumlich beengte Anordnungen der zu schweißenden bzw. zu verschweißenden Gegenstände anzutreffen sind. Mit anderen Worten ausgedrückt, ergibt sich im vorliegenden bekannten Fall ein »pistolenförmiger« Brennerkopf, der mit seinem vorderen und hinteren Ende die Brennertragstruktur seitlich verhältnismäßig weit überkragt. Diese verhältnismäßig weit ausladende Brennerkopfausbildung wird vorrangig von der Art und Ausbildung der Elektrode sowie deren örtliche Führung und Zentrierung im Brennerkopf verursacht. Dabei muß die Elektrode also zunächst in ein inneres Klemmstück und zusammen mit diesem Klemmstück in eine zusätzliche Klemmhülse eingesetzt werden; ihrerseits muß die Klemmhülse wiederum unter Anwendung sphärisch gewöibicr Gegeniiäuneii an einem zentralen Kühlwassereinsatz zentriert werden; am hinteren — also von der Elektrodenspitze abgewandten Ende — soll das Klemmstück ferner mit einer sphärisch gewölbten Endfläche versehen sein, mit der es sich über entsprechende Gegenflächen an einem Zentraleinsatz abstützen soll, der wiederum Bestandteil einer rückwärtigen Endkappe des Brennerkopfes ist; zur örtlichen

Festlegung der Elektrode soll dann die Endkappe von hinten mit dem Brennerkopf bzw. mit der axialen Verlängerung des Kühlwassereinsatzteils verschraubt werden. Die axiale Sicherung der Elektrode ist dabei also von der Klemmwirkung der Klemmhülüe abhängig. Während des gesamten Einbaus der Elektrode müssen im bekannten Fall ferner düsenmundartige Zentriervorkehrungen an der Elektrodenspitze getroffen werden.

Ein weiterer Nachteil der vorliegenden bekannten Lösung ergibt sich aus einem bauteilmäßig verschlurgenen, sich verhältnismäßig weit axial durch den Brennerkopf erstreckenden Führungsverlauf des Plasmagases; letzteres muß dabei jeweils zum Teil u.a. zwischen Klemmhülse und zugeordnetem Kühlwassereinsatz, weiter zwischen innerem Klemmstück und äußerer Klemmhülse sowie ferner u. a. zwischen der stromabwärtigen Verlängerung der Klemmhülse und dem koaxial benachbarten Kathodenstromisolator geführt werden, bevor es in den Düsenkörper gelangt; Düsenkörper nebst Kathodenstromisolator sind ii;j bekannten Fall also, axial aufeinander folgend, innerhalb eines weiteren Kühlwassereinsatzes befestigt, der einen Teil des vorderen Stirnendes des Brennkopfes ausbilden soll; gänzlich oder teilweise soll dabei ferner der weitere Kühlwassereinsatz zugleich als Schutzgaszuführung ausgebildet sein.

Auch die zuletzt genannten Maßnahmen, insbesondere hinsichtlich der Plasmagasführung, aber auch hinsichtlich der erwähnten Schutzgasführung, in Kombination mit der angegebenen Vielfalt und Anordnung von Ein-Satzteilen, stellen einen weiteren Beitrag zur Vergrößerung des »pistolenförmigen« Bauvolumens des Brennkopfes dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmagasbrenner nach der eingangs genannten Art anzugeben, der sich bei vergleichsweise einfachem Aufbau durch eine extrem niedrige Bauhöhe auszeichnet und insbesondere mit Rücksicht auf eng und schwierig gestaltete Schweißgutzugänglichkeiten optimale Schweißqualitäten gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Auf diese Weise kann ein extrem flach bauender Brenner geschaffen werden, was insbesondere durch die geringe Baulänge der Elektrode zusammen mit deren zentrierender Festlegung am Kathodenstromisolator sowie zusammen mit der Anordnung des Isolators im Düsenkörper in Verbindung der Plasmagasführung — zwischen Isolator und Düsenkörper — erreicht wird.

Unter Bezug auf die Brennerlängsachse wird auf einfachste Weise eine radiale und axiale, betriebssichere Zentrierung der kurzen Kathode erreicht, indem sie einerseits unmittelbar im Isolator sitzt und andererseits über das Kugelkopfende stromkontaktschlüssi,* gegen das innere Isolatorende gedrückt wird, welcher sich am inneren Düsenkörperende abstützen kann.

Vorteilhafterweise entfallen jegliche zusätzliche Kathodeneinspann-, -zentrier- und -justiermittel bzw. nachträgliche Kathodeneinstellvorkehrungen.

Weitere Merkmale, die insbesondere einen einfachen und räumlich gedrungenen Brenneraufbau sowie dessen optimale Betriebssicherheit fördern, gehen im Rahmen weiterer Ausgestaltungen der Erfindung aus den Patentansprüchen 2 bis 4 hervor.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung nachfolgend beispielsweise weiter erläutert; es zeigt

F i g. 1 den Mittellängsschnitt des Brennerkopfes einschließlich einer zugehörigen Grundkörpersektion,

Fig.2 eine Seitenansicht des kompletten Brenners nebst Grundkörper,

F i g. 3 eine Ansicht des kompletten Brenners nebst Grundkörper gemäß Blickrichtung Zder F i g. 2,

F i g. 4 eine teilweise die seitliche Ansicht sowie aufgebrochene Mittellängsschnittpartien erläuternde Darstellung des auch Brennkopfbestandteil einschließenden Brennergrundkörpers, hier jedoch ohüe äußere Abdeckplatten dargestellt und

F i g. 5 einen vorderen Abschnitt des Brennergrundkörpers gemäß Blickrichtung A der F i g. 4.

Einleitend zur Beispielsbeschreibung sei vermerkt, daß die in F i g. 1,4 und 5 eine fünffache Vergrößerung der tatsächlichen Brennerdimensionen nebst Grundkörper, hingegen die F i g. 2 und 3 den Erfindungsgegenstand im Maßstab 1 :1 erläutern.

Gemäß F i g. 1 weist der Brennkopf 1 des Mikropolasmaschweißbrenners zur Erzeugung einer elektrischen Bogenentladung eine konisch zugespitzte Kathode 2 auf, die von einem als Anode gepolten, hülsenförmigen Düsenkörper 3 für die Plasmagaszufuhr mit Abstand rotationssymmetrisch ummantelt wird. Mit einer zentralen Austrittsbohrung 4 (Entladungsstrom — Gasbohrung) überkragt der Düsenkörper 3 die Kathodenspitze austrittsseitig und läuft im Bereich der Kathodenspitze sich trichterförmig verengend gegen die Austrittsbohrung 4 aus. Eine von der Plasmagaszuführung getrennte, äußere, konzentrisch zum Düsenkörper 3 verlaufende Schutzgasführung kommuniziert mit einer düsenmundseitig benachbarten Schutzgasabströmöffnung 5.

Sämtliche genannten wesentlichen Brennerbauteile sind in den extrem flach bauenden, im rechten Winkel gegenüber dem zugehörigen Brennergrundkörper 6 brennerkopfseitigen Abschnitt des abgekröpften Brennerkopfes 1 integriert, der zugleich Bestandteil dieses Grundkörpers 6 ist.

Der brennerkopfseitige Abschnitt des Brennergrundkörpers 6 ist mit einer parallel dazu verlaufenden, rückwärtigen, plattenförmigen Abdeckung 7 verknüpft, die nebst darin integrierter bzw. eingegossener Kathoden-(Zünd-)-stromleitung 8 formschlüssig in die obere planparallele Brennerkopffläche übergeht. Die Abdeckung 7 besteht aus einem festen, temperaturbeständigen, nicht elektrisch leitenden Werkstoff, z. B. einem keramischen Werkstoff.

Wie in F i g. 5 lediglich auf den brennerkopfseitigen Abschnitt des Brennergrundkörpers 6 bezogen dargestellt, sind im letzteren einschließlich eines weiteren Brennergrundkörperteils 9 (F i g. 4) jeweils voneinander getrennt sowie parallel zueinander verlaufend, eine Plasmagasleitung 10, eine Schutzgasleitung 11 sowie eine äußere Kühlwasserleitung 12 vorgesehen, die für die Hin- und Rückführung des Kühlwassers zum bzw. vom Brennerkopf 1 in den letzteren halbkreissymmetrisch eingebettet ist.

Die genannten Leitungen 10,11,12 können vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt und durch Verlöten im gesamten Grundkörper 6,9 festgelegt sein. Mittels der Abdeckung 7 (F i g. 1), bzw. mittels einer unter Bezug auf den weiteren Brennergrundkörperteii 9 weiteren Abdeckung Ϊ3 (F i g. 2) sind die Leitungen 10,11,12 leicht zugänglich, wenn die genannten Abdeckungen 7, 13 z. B. nach Lösen von Schraubverbindungen oder dergleichen entfernt werden.

Wie anhand von F i g. 1 näher verdeutlicht, soll ferner eine vom Düsenkörper 3 gesonderte, die ringförmige Schutzgasabströmöffnung 5 bereitstellende Hülse 14 in

einer gegenüber der Düsenmundebene axial eingezogenen Ebene sowie achssymmetrisch zum Düsenkörper 3 am kopfseitigen Ende des Brennergrur.dkörpers 6 aufschraubbar befestigt sein. Die separate sowie axial eingezogene Anordnung der Hülse 14 begünstigt zum einen die angestrebte Flachbauweise des Brenners sowie eine leichte Austauschbarkeit des Brennereinsatzes.

Die genannte Hülse 14 ist ferner als Schutzgassiebträger ausgebildet und stellt zusammen mit angrenzenden Partien des Düsenkörpers 3 und des brennerkopfseitigen Abschnittes des Grundkörpers 6 eine stromauf der Sehutzgasabströmöffnung 5 liegende Siebkammer 15 bereit, die über eine Reihe gleichförmig in Brennerumfangsrichtung verteilter Bohrungen 16 (F i g. 4 und 5) in brennerkopfseitigen Abschnitt des Grundkörpers 6 mit einer vorgeschalteten Schutzgasringkammer 17 (F i g. 1) in Verbindung steht, die ihrerseits mit der Schutzgasleitung 11 kommuniziert.

Gemäß Fig.4 weist der brennerkopfseitige Abschnitt des Grundkörpers 6 eine konzentrische Ausnehmung 18 zur Aufnahme eines Gastrenneinsatzes 19 (F i g. 1) auf, der die Schutzgasringkammer 17 nach oben hin hermetisch verschließt und der ferner im Zusammenwirken mit dem oberen Endbereich des Düsenkörpers 3 eine nach außen von der Abdeckung 7 hermetisch verschlossene Plasmagaskammer 20 einschließt, die sowohl mit der Plasmagasleitung 10 als auch mit der düsenseitigen Plasmagasführung in Verbindung steht, die zwischen dem Düsenkörper 3 und einem darin eingesetzten zylindrischen Kathodenstromisolator 21 aus Keramik ausgebildet ist; der Düsenkörper 3 ist dabei anodisch gepolt. Die Kathode 2 soll in den Isolator 21 eingesetzt und darin zentriert sein. Wie aus F i g. 1 ferner erkennbar, geht die zuvor erwähnte Plasmagasführung austrittsseitig in einen hinsichtlich des Durchströmquer-Schnitts erweiterten Ringraum 22 — zwischen Kathode 2 und Düsenkörper 3 und der einen Seite und der unteren Endwand des Isolators 21 auf der anderen Seite — über. Die in den Isolator 21 eingesetzte und darin zentrierte Elektrode 2 ist am von der Zuspitzung abgewandten Ende als Kugelkopf K erweitert, mit dem sie stromkontaktschlüssig zwischen der rückwärtigen, die Kathodenstromleitung 8 enthaltenden Brennerabdekkung 7 und dem Isolator 21 am Düsenkörper verklemmt werden kann. Diese praktikable und aufwandsiose Zentrierung und Verklemmung der Elektrode 2 begünstigt insbesondere die erzielbare niedrige Bauhöhe des Brennerkopfes, die bei etwa 9,5 mm liegt, wohingegen herkömmliche Brennerkonzepte Bauhöhe des Brennerkopfes von etwa 45 mm oder mehr erzwingen.

Ferner entfällt durch die festgelegte Abmessung der Kathode 2 die Einstellung der Kathodenspitze zum Düsenkörper 3, & h, ist die Kathode 2 verbraucht, wird der Düsenkörper 3 herausgeschraubt und die Kathode 2 durch eine neue ersetzt. Die richtige Einstellung ist nach dem Einschrauben des Düsenkörpers 3 automatisch gegeben.

Zu Gunsten der Bauteil-Eindringtiefe des Brenners beim Schweißen ist ferner das brennerkopfseitige Ende der Abdeckung 7 (F i g. 1) — unter Bezug auf die Brennermittelachse — von oben außen nach innen unten abgeschrägt ausgebildet

In die zuvor schon erwähnte weitere obere Abdekkung 13 des weiteren Brennergrundkörperteils 9 ist die zuvor mit der Abdeckplatte 7 verknüpfte Kathodenstromleitung 8 isolierend eingebettet; diese weitere Abdeckung 13 kann aus Kunststoff im Sinne eines Hartschicht-Preßstoffes gefertigt sein, was sich u. a. günstig auf ein vergleichsweise geringes Eigengewicht des Brenners auswirkt.

Wie ferner insbesondere aus F i g. 2 erkennbar, weist der weitere Brennergrundkörperteil 9 einschließlich der Abdeckung 13 einen von oben außen nach innen unten geneigten Verlauf auf, bei dem also der Teil 9, bezogen auf eine düsenmundseitig planparallele Brennervorschubbewegungsebene, unter einem vergleichsweise spitzen Winkel geneigt ist. Dies ist ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Bauteileindringtiefe in radial geringfügig zueinander beabstandete Bauteile, die sich z. B. nach der Öffnungsseite trichterförmig erweitern.

Der gesamte Brennergrundkörper 6,9, der Gastrenneinsatz 19 sowie der Düsenkörper 3 können aus einem hochwärme-leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, gefertigt sein, um neben der vor allen Dingen brennerseitigen Temperaturbeständigkeit sowie u. a. im Wege der Kühlwasserzirkulation zu einem optimalen Wärmeabtransport aus dem Hochtemperaturbereich (Brennerkopf) in kühlere Zonen der Grundkörperstruktur zu gewährleisten.

Der hülsenförmige Siebtragkörper 14 kann u. a. zu Gunsten der Leichtbauweise aus Aluminium gefertigt sein.

Für die Durchführung der Erfindung ist es ferner Voraussetzung, daß das über die Leitung 12 durchzusetzende Kühlwasser über einen Wärmetauscher im Betrieb fortlaufend heruntergekühlt wird.

Der gesamte Brennergrundkörper 6, 9 soll werkstückgemäß anodisch gepolt sein.

Ferner soll der Auftragsschweißvorgang im Wege einer gesonderten Schweißdrahtführung erfolgen.

Gemäß Fig.5 weist der brennerkopfseitige Abschnitt des Grundkörpers 6 auf der von der äußeren abgerundeten Brennerkopfstirnfläche abgewandten Seite kegelförmig aufgeweitete Seitenflächen 25,26 auf, von denen aus der Grundkörper gänzlich beidseitig erweitert ist, wodurch u. a. ein zusätzlicher Beitrag zum möglichst raschen Wärmeübergang von der Brennerkopfseite in bzw. an die hinter der Brennerkopfseite liegenden Grundkörperpartien geleistet werden soll.

Der erfindungsgemäße Brenner zeichnet sich ferner durch einen wartungs- und reparaturfreundlichen Aufbau aus, indem Einzelbauteile leicht herauslösbar bzw. gut zugänglich sind, ohne den gesamten Brenner zerlegen zu müssen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Mikroplasmabrenner, insbesondere Schweißbrenner, mit einem rechtwinklig von einem Brennergrundkörper abgekröpften Brennerkopf, der zur Erzeugung einer elektrischen Bogenentladung eine zentrisch angeordnete, kenisch zugespitzte Kathode aufweist, die in einen koaxialen, das Plasmagas führenden Düsenkörper hineinragt, welcher mit einer zentralen Entladungsstrom-Gasbohrung die Kathodenspitze überkragt und gegenüber der letzteren sich trichterförmig verengend ausgebildet ist, wobei der Brennerkopf eine mit einem äußeren, konzentrisch zum Düsenkörper verlaufenden Schutzgas-Gasaustritt kommunizierende Schutzgasringkammer sowie eine Kühlwasserführung aufweist, die mit einer Hin- und Rückführleitung verbunden ist, die einschließlich für die Plasma- und Schutzgasversorgung des Brennerkopfes vorgesehener Zuleitungen durch den Brennergrundkörper geführt sind, und wobei im Brennerkopf ein zylindrischer, konzentrisch zur Kathode angeordneter Kathodenstromisolator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß