DE4200948A1 - Vorrichtung zum lichtbogenschweissen und -schneiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lichtbogen­ schweißen und -schneiden, mit einem zentralen Düsenkörper aus Metall für den Austritt eines Schweißdrahtes im Fall eines Schutzgasschweißbrenners bzw. für den Austritt des Lichtbogens bei einem Plasmaschneidkopf, sowie mit einer den Düsenkörper unter Bildung eines Ringspaltes für den Gasaustritt umgebenden Hülse.

Solche Schutzgas-Schweißbrenner bzw. Plasma-Schneidbrenner sind vielfach im Einsatz. Beim Schutzgasschweißen entste­ hen Schweißspritzer, die mit der Stromkontaktdüse ver­ schweißen und einmal den Drahtvorschub stören und sogar unterbrechen und zum anderen zu einer Brückenbildung führen, sodaß eine Strombrücke zwischen der stromführenden Strom­ kontaktdüse und der nichtstromführenden Hülse entsteht. Berührt man dann mit der Hülse das Werkstück, so sind Be­ schädigungen unvermeidbar.

Beim Plasmaschneiden sind ebenfalls Metallspritzer genauso­ wenig vermeidbar, wie das Abplatzen von Oberflächenbeschich­ tungen, insbesondere Zunder, Farbe und Rost. Diese Spritzer setzen sich ebenfalls an der Plasma-Schneiddüse ab. Der Plasmastrahlaustritt wird beeinträchtigt, womit die Schnitt­ qualität leidet. Es kann zu einem Doppellichtbogen kommen, der zur sofortigen Zerstörung der Schneiddüse und sogar des Plasma-Brennerkörpers führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schweiß- oder Schneidvor­ richtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß beim Schweißen oder Schneiden von Metall Schweiß- bzw. Metallspritzer daran gehindert werden, sich an der Zentral­ düse anlagern und festschweißen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an oder nahe am Vorderende der Hülse eine Stirnwand vorgesehen ist, die den Düsenkörper stirnseitig abdeckt, daß die Stirn­ wand aus einem hochtemperaturfesten nichtmetallischen Ma­ terial mit guter Wärmeleitfähigkeit und hohem elektrischem Widerstand besteht und daß die Stirnwand ein koaxiales Zen­ tralloch sowie im Abstand davon mehrere umfangsverteilte Gasaustrittsöffnungen aufweist.

Als ein diese Forderungen ausreichend erfüllendes Material für die Stirnwand hat sich ein Bornitrid-Mischkeramik-Ma­ terial erwiesen, das bekanntermaßen temperaturfest ist, ei­ ne geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und das eine geringe Benetzungsfähigkeit für flüssiges Metall besitzt. Die Mischkeramik hat vorzugsweise Oxyd- und/oder Carbidan­ teile, um die Oberflächenhaftung weiterhin zu reduzieren.

Mit der erfindungsgemäßen stirnseitigen Schutzwand aus ei­ ner hochtemperaturfesten Bornitrid-Mischkeramik können alle vorhandenen Lichtbogenschweiß- und -schneidgeräte nachträglich ausgestattet werden. Beim Schweißgerät genügt der Austausch der vorhandenen Kupferhülse durch eine sol­ che mit stirnseitig eingesetzter Schutzwand. Beim Plasma- Schneidgerät kann die entsprechende Schutzwand mittels ei­ nes Adapterringes an der vorhandenen Hülse befestigt wer­ den oder diese Hülse erhält am äußeren Ende ein Gewinde, auf das bzw. in das die Schutzwand eingeschraubt wird.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Zentraldüse gegen schädliche Schweiß- oder Metallspritzer vollkommen geschützt ist. Die bisher periodisch notwendigen Reinigungsarbeiten entfallen. Etwaige Metallspritzer, die an der Keramik-Stirn­ wand haften, können aufgrund des Abstoßeffektes leicht abge­ wischt werden. Das Zentralloch in der Stirnwand ist im Falle des Schutzgas-Schweißgerätes auf den Drahtdurchmesser ab­ gestimmt. Beim Plasma-Schneidgerät verhindert der Plasma- Lichtbogen, der durch die ausreichend große Zentralöffnung der Stirnwand austritt ebenfalls ein Eindringen von Metall­ spritzern in den Bereich der Zentraldüse. Die Gasaustritts­ öffnungen sind schon aufgrund ihrer Anordnung und ihres ge­ ringen Querschnittes in der Lage, das Eindringen von Metall­ spritzern zu verhindern. Die unter Druck austretende Gas­ strömung wirkt in derselben Richtung. Der Erfolg ist, daß die Zentraldüse und ihre Umgebung vollkonmen geschützt ist. Daraus resultiert eine Minimierung von Reinigungs-und War­ tungsarbeiten des Brenners.

Darüber hinaus bringt die Erfindung weitere Vorteile. Die thermische Belastung der Brennerbauteile wird stark redu­ ziert. Überkopfschweißen ist problemlos möglich. Ein un­ kontrollierter Rückbrand des freien Drahtendes beim Schutz­ gasschweißen kann nicht mehr an der Stromkontaktdüse fest­ brennen, da bei anfänglichem Rückbrand durch Kugelbildung ein Durchschlüpfen durch das Zentralloch der Stirnwand aus­ geschlossen ist. Auch bringt die erfindungsgemäß vorgesehene Stirnwand eine mechanische Stabilitätserhöhung, da das Vor­ derende der Hülse ausgesteift wird. Beim Plasmaschneiden werden Kurzschlüsse durch Berührung des Schneidbrenners mit dem Werkstück vermieden. Die Gasaustrittsöffnungen in der Stirnwand ergeben im Betrieb einen Luftkisseneffekt, sodaß der Brenner im Schwebezustand gehalten wird. Die Stirnwand hält automatisch den notwendigen Abstand zwischen Schneid­ düse und Werkstückoberfläche aufrecht.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines herkömm­ lichen Schutzgas-Schweißbrenners,

Fig. 2 eine Stirnansicht des bekannten Schweißbrenners,

Fig. 3 eine Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten Schweißbrenners,

Fig. 4 eine Stirnansicht des Schweißbrenners gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Plasma­ schneidbrenners,

Fig. 6 eine Stirnansicht des Plasmaschneidbrenners gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten Plasmaschneidbrenners und

Fig. 8 eine Stirnansicht des Schneidbrenners gemäß Fig. 7.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schweißbrenner 10 weist einen Brennerkopf 12 mit Zentraldüse 14 auf, durch die der Schweißdraht (nicht gezeigt) zur Schweißstelle geführt wird. Der Vorschub befindet sich am Schweißgerät und erfolgt durch ein Schlauchpaket 16, in dem auch die elektrische Energie und ein Schutzgas zum Brenner geführt wird. Der Brennerkopf 12 ist von einer Kupferhülse 18 umgeben, sodaß das Schutzgas in einem Ringkanal zwischen Zentraldüse 14 und Hülse 18 austritt. Die beim Schweißen auftretenden Schweißspritzer und sonstigen Verunreinigungen werden von der Schweißstelle zurückgeschleu­ dert und dringen in die Hülse 18 ein, wo sie sich an der Düse 14 und am Brennerkopf 12 anlagern, wie bei 20 gezeigt ist, wobei es zu einer Brückenbildung mit der Hülse 18 kommen kann.

Um das Eindringen von Schweißspritzern in das Innere der Hülse 18 zu vermeiden, weist diese eine stirnseitige Kap­ pe 22 auf, die aus einer Stirnwand 24 und einem, in das Innere der Hülse 18 ragenden Bund 26 besteht. Der Bund 26 hat ein Außengewinde, mit dem er in ein entsprechendes Innengewinde der Hülse 18 eingeschraubt ist. In der Stirn­ wand 24 befindet sich ein Zentralloch 28, dessen Durchmes­ ser demjenigen der Kontaktdüse im Düsenkörper 14 entspricht. Das Zentralloch 28 ist mit der Düsenachse axial ausgefluch­ tet, sodaß der Schweißdraht durch das Zentalloch 28 austritt und dieses abschließt. Im äußeren Umfangsbereich der Stirn­ wand 24, also dicht benachbart dem Bund 26 sind in Umfangs­ abständen einige Gasaustrittsöffnungen 30 vorgesehen, die hier als sich in Umfangsrichtung erstreckende Längsschlitze mit geringer Radialerstreckung dargestellt sind.

Die Schutzkappe 22 besteht aus einem Bornitrid-Mischkeramik- Material, zu dessen Eigenschaften Hochtemperaturfestigkeit, hoher elektrischer Widerstand, gute Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Benetzungsfähigkeit gehören. Dieses Material läßt sich außerdem gut spanabhebend bearbeiten und ist daher für den Anwendungszweck besonders geeignet. Durch zusätzliche Anteile an Boroxid und/oder Cloriden läßt sich das Benetzungsvermögen der Kappe 22 weiterhin ver­ ringern, mit dem Erfolg, daß Schweiß- und Metallspritzer, die von der Schweißstelle zurückgeschleudert werden, von der Stirnwand 24 der Kappe 22 abprallen. Etwaige anhaften­ de Metallreste lassen sich durch Abstreifen unproblematisch entfernen.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 und 4 ist die Schutzkappe 22 innerhalb der Hülse 18 geschützt untergebracht. Die Stirn­ wand 24 ist leicht kugelkalottenförmig ausgebildet, ist also innen konkav und außen konvex gewölbt. Abwandlungen der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Schutzkappe 22 beste­ hen darin, daß diese lediglich aus einer scheibenförmigen Stirnwand entsprechend der Stirnwand 24 besteht, die in der Hülse 18, z. B. mittels eines Sprengringes gehalten ist. Eine weitere Abwandlung ist darin zu sehen, daß die Hülse 18 selbst aus dem Bornitrid-Mischkeramik-Material besteht, sodaß Hülse und Stirnwand 24 ein einstückiges Bauteil bil­ den.

Der in den Fig. 5 und 6 gezeigte Plasma-Schneidbrenner 11 weist ebenfalls eine Zentraldüse 14 und eine diese unter Bildung eines Ringspaltes umgebende Hülse 18 auf. Die Düse 14 besteht aus Kupfer, die Hülse 18 ist nicht metallisch. Zwischen einer Wolfram- oder Zirkoniumelektrode und dem Werkstück wird im Brenner 11 ein Lichtbogen erzeugt, der von einem Gas­ strom umspült ist. Der Lichtbogen einschließlich des Gas­ stromes tritt aus der Zentraldüse 14 aus. Das Gas wird bis zur Dissoziation und teilweiser Ionisation erhitzt, sodaß ein Plasmastrahl mit einer Temperatur von oberhalb etwa 20 000°C entsteht. Die Düse 14 wird mittels Kühlwas­ ser oder Kühlgas gekühlt. Im Ausführungsbeispiel ist noch eine Führungshülse 19 vorgesehen, um die Schneiddüse 14 in vorgegebenem Abstand vom Werkstück zu halten.

Wie in Fig. 5 zu sehen ist, werden beim Schneiden von Me­ tall Metallspritzer 20 vom Werkstück zurückgeschleudert, verschweißen an der Düse 14 und sammeln sich sehr schnell soweit an, daß eine Brückenbildung zur Hülse 18 bzw. 19 er­ folgt. Abgesehen von der daraus resultierenden Notwendig­ keit, die angeschweißten Metallspritzer in kurzen Perioden entfernen zu müssen und der sich durch die Metallspritzer­ anlagerung ständig verschlechternden Schneidqualität kann es auch zu Doppellichtbögen kommen, wobei der umkehrende Lichtbogen gegen die Schneiddüse schlägt, und mindestens diese sofort zerstört.

Bei der in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführung ei­ nes Plasma-Schneidbrenners 11 ist nun auf die Hülse 18 eine Schutzkappe 22 aus einer Bornitrid-Keramik aufgesetzt und zwar derart, daß sie die Hülse 18 außen umgreift. Die Stirnwand 24 hat auch hier einen Bund 26 der gemäß einer Ausführungsform mit einem Innengewinde versehen ist, mit welchem die Schutzkappe 22 auf einem Außengewinde der Hül­ se 18 aufgeschraubt ist. Alternativ kann die Schutzkappe 22 aber auch durch eine Schnappverbindung an der Hülse 18 befestigt werden, z. B. durch außenseitige Endverdickungen an der Hülse 18, die in eine entsprechende Nut an der In­ nenseite des Bundes 26 einrasten. Die Hülse 18 kann bei­ spielsweise am Ende mit Längsschlitzen versehen sein, sodaß Federzungen gebildet werden, die das Einschnappen der Schutzkappe 22 erleichtern. In jedem Fall ist es sinn­ voll, die Schutzkappe 22 an der Hülse 18 lösbar zu befesti­ gen, sodaß im Fall der Beschädigung der Schutzkappe 22 die­ se leicht gegen eine neue Schutzkappe 22 ausgetauscht wer­ den kann.

Die Stirnwand 24 der Schutzkappe 22 bei der Ausführung gemäß Fig. 7 und 8 hat ebenfalls ein Zentralloch 28 zum Durch­ tritt des Lichtbogens. Dieses Zentralloch 28 ist mit der Achse der Plasmadüse 14 axial ausgefluchtet. Im möglichst großen Radialabstand vom Zentralloch 28 ist eine Anzahl konzentrisch angeordneter Gasauslaßbohrungen 30 vorgesehen, deren Durchmesser vorzugsweise kleiner als der des Zentral­ loches 28 ist. Durch diese Gasauslaßöffnungen 30 strömt Kühlluft aus, die zur Bildung eines Luftpolsters benutzt werden kann. Die Zentralöffnung 28 hat gerade die notwen­ dige Größe für den Austritt des Lichtbogens. Die Gasaus­ laßöffnungen 30 sind in großer Zahl, jedoch mit jeweils kleinem Querschnitt angeordnet und ausgebildet, sodaß durch sie zurückgeschleuderte Metallspritzer nicht in das Innere der Hülse 18 eindringen können.

Die Schutzkappe 22 verhindert das Entstehen eines Doppel­ lichtbogens. Die reflektierende Wärmestrahlung vom Werk­ stück und vom Plasma-Lichtbogen können die Plasmadüse 14 und den Plasmabrenner 12 nicht negativ beeinflussen. Der Schneidbrenner kann in beliebiger Lage das Werkstück berühren, ohne daß Kurzschlüsse entstehen können, da der Bund 26 der Schutzkappe 22 um die Hülse 18 herumgreift.

Die Schutzkappe 22 besteht aus demselben hochtemperatur­ festen Bornitrid-Keramikmaterial wie bei der Ausführung ge­ mäß Fig. 3 und 4. In Abwandlung der Ausführung gemäß Fig. 7 können die Bohrungen 30 des Bohrungskranzes auch schräg nach außen gerichtet sein, insbesondere mit ihren Achsen auf einem Kegelmantel liegen, sodaß das Eindringen von Metallspritzern in die Bohrungen 30 zusätzlich er­ schwert wird.

Auch wenn bei den beiden beschriebenen Ausführungsbeispie­ len gemäß Fig. 3 und Fig. 7 kleinste Schweiß- oder Metall­ spritzer in das Innere der Hülse 18 gelangen, so hat dies keine schädliche Wirkung auf den Brennerbetrieb, da einmal diese Feinstspritzer nur ein geringes Volumen und damit eine minimale Wärmeenergie aufweisen und zu anderen die Schutzkappe 22 an der Hülse 18 leicht lösbar befestigt ist, sodaß in Langzeitintervallen eine einfache Säuberung mittels Preßluft vorgenommen werden kann.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen oder -schneiden, mit einem zentralen Düsenkörper aus Metall für den Austritt eines Schweißdrahtes im Fall eines Schutzgas-Schweißbren­ ners bzw. für den Austritt des Lichtbogens bei einem Plas­ ma-Schneidbrenner, sowie mit einer den Düsenkörper unter Bildung eines Ringspaltes für den Gasaustritt umgebenden Hülse, dadurch gekennzeichnet, daß an oder nahe am Vor­ derende der Hülse (18) eine Sitrnwand (24) vorgesehen ist, die den Düsenkörper (14) stirnseitig abdeckt, daß die Stirnwand (24) aus einem hochtemperaturfesten nichtmetal­ lischen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und hohem elektrischem Widerstand besteht und daß die Stirnwand (24) ein koaxiales Zentralloch (28) sowie im Abstand davon mehrere umfangsverteilte Gasaustrittsöffnungen (30) auf­ weist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (24) aus einem Bornitrid-Mischkeramik-Ma­ terial besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischkeramik-Material zur Verringerung der Oberflä­ chenhaftung Oxid- und/oder Carbidanteile aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stirnwand (24) an der Hülse (18) lösbar befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stirnwand (24) einen einstücki­ gen, zum Düsenkörper (14) hinweisenden Bund (26) auf­ weist, mit dem die Stirnwand (24) an der Hülse (18) be­ festigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß derBund (26) ein Innen- oder Außengewinde aufweist und mit der Hülse (18) verschraubbar verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stirnwand (24) innenseitig und/oder außenseitig kalottenförmig gewölbt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Bereich der Stirnwand (24) über die Hülse (18) axial nach außen vorsteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen (30) kon­ zentrisch zum Zentralloch angeordnet sind und einen ge­ ringeren Querschnitt als dieses (28) aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Gasaustrittsöffnungen (30) auf einer Kegelmantelfläche liegen.