DE4217995C2 - Schmelzschweißkontaktdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktdüse für die Schmelzschweißtechnik mit einem Düsenkopf aus einer verschleißfesten metallischen Legierung, mit einer eng tolerierten axialen Schweißdrahtzuführungsbohrung und einem in deren Mündungsbereich angeordneten nichtmetallischen Düsenring, aus einem hochverschleißfesten Keramikwerkstoff und wobei der Düsenring mündungsseitig einen gleichen Innendurchmesser wie die Schweißdrahtzuführungsbohrung in dem metallischen Legierungsmaterial hat und innenliegend, eintrittseitig des Schweißdrahtes eine zunehmende Erweiterung aufweist.

Derartige Kontaktdüsen sind aus der FR 2565141 A1 bekannt. Dabei ist frontseitig ein Keramikdüsenring in eine Einsenkung eingesetzt und mit einem Befestigungsmantel gehalten, der die Stirnseite des Keramikringes teilweise übergreift. Die Bohrungsachse des Keramikringes fluchtet mit der Bohrungsachse des elektrisch leitenden Elektromaterials. Da der mündungsseitige Keramikring eine geringere Abnutzung als das leitende Material aufweist, führt dies zu einer Verringerung der Anlage des Schweißdrahtes am metallischen Material und zu einer Vergrößerung oder zu Schwankungen des Übergangswiderstandes und demgemäß zu erhöhten Verlusten und steigender Abnutzung.

Weiterhin ist aus der JP 63-80978 (A) eine Kontaktdüse bekannt, bei der ein verschleißarmes Siliziumnitrid- Mündungsstück mit einer Schraubkappe auf ein elektrisch gut leitendes Kontaktstück aufgeschraubt ist.

Weiterhin ist es aus der DE 32 03 789 A bekannt, in eine Metalldüse eine Einsenkung einzubringen und in diese zylindrische Ausnehmung eine Keramikbuchse oder eine Bornitridbuchse mit oder ohne Bindemittel einzusetzen.

Weiterhin ist es aus der EP 177340 A1 bekannt, eine Kontaktdüse aus einem elektrischen Leiterabschnitt, einem elektrischen Isolatorabschnitt und mündungsseitig einem weiteren elektrischen Leiterabschnitt zusammenzusetzen, wobei die Bohrungen jeweils in der Durchführungsrichtung des Schweißdrahtes trichterförmige Einlässe aufweisen und wobei die Isolierung eine wesentlich weitere Bohrung als die elektrisch leitenden Abschnitte aufweisen und diese mit ihren Bohrungen gegeneinander versetzt und/oder geneigt ausgebildet sind. Dies führt zwar zu einer guten elektrischen Kontaktgebung, jedoch tritt die bekannte Abnutzung auf, da der i.a. verschleißfestere Isolator nicht der Drahtführung dient. Bei dieser Kontaktdüse ist außerdem der Stromfluß nur zwischen den Leiterabschnitten vorgesehen, so daß im Isolatorbereich nur eine Vorwärmung der Elektrode erfolgt; zum Werkstück besteht eine Isolation.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schmelzschweißkontaktdüse der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie bei hoher Standzeit einen stets guten elektrischen Kontakt zum Schweißdraht aufweist.

Die Lösung besteht darin, daß das metallische Legierungsmaterial der Kontaktdüse stirnseitig plan oder eingesenkt ist und der Düsenring dort mit seiner Bohrungsachse geringfügig versetzt und/oder geringfügig geneigt zur Schmelzdrahtzuführungsbohrung auf- oder eingesetzt ist und mit dem metallischen Legierungsmaterial verbunden ist.

Vorteilhaft ist es vorgesehen, einen geringen axialen Versatz und/oder eine geringe Achsneigung des Düsenringes zu der Schweißdrahtzuführungsbohrung herzustellen, wodurch sichergestellt wird, daß der Schweißdraht an der Bohrungswandung anliegt und einen guten elektrischen Kontakt hat. Die Abnutzung der Bohrungswandung ist nämlich besonders groß, wenn der Kontakt zum Schweißdraht zu gering ist, so daß Schweißlichtbögen dort entstehen. Dies wird durch den leichten Versatz von etwa 0,1 mm und/oder einer Achsneigung von 1 bis 5° verhindert. Die Abnutzung der Bohrung durch den schnell hindurchlaufenden Schweißdraht tritt außerdem deshalb auf, weil der Draht von einer Trommel kommend eine Biegespannung und einen Drall aufweist, die ein ungleiches wechselndes Anliegen unter Druckbeanspruchung in der Innenbohrung bewirken.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kontaktdüsen wird die Lebensdauer derselben auf ein Mehrfaches verlängert. Dies hat nicht nur eine Kostenersparnis bei der Verwendung der Düsen zufolge, sondern auch eine Einsparung an Arbeitszeit und Automatenzeit für die sonst übliche, hierbei jedoch entfallende mehrmalige Austauschaktion verbrauchter Düsen. Außerdem wird eine längere Gebrauchszeit mit konstanten Schweißdaten bei exakter Führung des Schweißdrahtes erreicht. Darüberhinaus werden wertvolle Legierungsmaterialien wie Kupfer, Chrom und Zirkon oder Wolfram eingespart, sowie deren Nutzung durch die Wiederherstellung bereits gebrauchter Elektroden weiter um ein Mehrfaches gesteigert.

Es hat sich gezeigt, daß elektrisch nicht leitende Keramikwerkstoffe sich außerordentlich gut als widerstandsfähiges Einsatzmaterial eignen. Im allgemeinen ergibt sich eine Standzeit die ein mehrfaches der üblichen Standzeit beträgt.

Besonders vorteilhaft ist es, daß auch bereits abgenutzte alte Kontaktdüsen wieder aufbereitet werden können, indem ihre wesentlichen Gestaltmerkmale, nämlich die äußere Form im Düsenbereich sowie der Durchmesser der Innenbohrung durch ein Preßverfahren, durch Schlagen oder durch Rollen wieder hergestellt werden, wonach der Düsenring auf- oder eingesetzt wird. Auch nach einer späteren Abnutzung eines keramischen Düsenringes läßt sich dieser erneuern, wobei im allgemeinen auch die Innenbohrung in dem metallischen Trägerkörper durch einen Formgebungsvorgang, z. B. Preßvorgang, wieder neu kalibriert wird. Es ist wichtig, daß der Innendurchmesser nur wenig weiter als der hindurchgeführte Schweißdraht außenseitig ist, da ein möglichst langes lineares Anliegen des Schweißdrahtes an der Innenwandung der Bohrung für einen guten elektrischen Kontakt erforderlich ist.

Der Düsenring ist vorzugsweise aus hoch­ temperaturbeständigem gesinterten Keramikwerkstoff hergestellt. Insbesondere sind Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Bornitrid, Siliziumnitrid und Carbide, z. B. Siliziumcarbid, als Werkstoffe für den Düsenring geeignet. Diese Stoffe lassen sich auch mittels eines Hochtemperaturlotes, das beispielsweise bei ca. 800°C unter Vakuum oder Schutzgases verarbeitet wird, mit dem metallischen Werkstoff verlöten. Es ist wichtig, daß der keramische Düsenring einen guten äußeren Kontakt zu dem metallischen Werkstoff hat, damit eine gute Wärmeleitung zwischen diesen beiden Materialien stattfindet. Dieser äußere Kontakt läßt sich durch ein Anpressen oder Anstauchen des umgebenden metallischen Materials erreichen, oder die bereits genannte Lötung sorgt für den Wärmekontakt.

Es sind verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen des Düsenringes und seiner Anordnung in dem metallischen Umgebungsbereich vorgesehen. In der einfachsten Form wird der Düsenring auf die plan bearbeitete metallische Oberfläche aufgelötet.

In einer weiteren Ausführung ist der keramische Düsenring in eine Ausnehmung eingesetzt, wobei die umgebende Wandung entweder dicht um diesen angestaucht ist, oder ringsum eine Lötung vorgenommen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist stirnseitig in das metallische Material eine Vertiefung eingebracht, deren Tiefe größer als die Länge des buchsenartigen Düsenringes ist. Der sich nach dem Einsetzen des Düsenringes ergebende frontseitige Überstand des metallischen Materials, wird dann in einem Umformvorgang durch Pressen, Stauchen, Taumeln und/oder Rollen zu einer dünnen Ringwulst umgeformt, die stirnseitig den Düsenring überlagert. Auf diese Weise ist ein äußerst fester Halt und ein auf der gesamten Außenfläche gegebener Wärmekontakt zu dem Düsenring erreicht. Auch bietet der Ringwulst, wenn auch über ein kurzes Stück nur, einen zusätzlichen elektrischen Kontakt zu dem hindurchgeführten Schweißdraht. Die Tiefe des Ringwulstes wird zweckmäßig höchstens gleich der Wandstärke des keramischen Ringes sein, damit die wesentliche Führung des Schweißdrahtes im Mündungsbereich durch den keramischen Düsenring erfolgt.

Die Ausgestaltung des Düsenringes ist zweckmäßig so vorgesehen, daß er entgegen der Vorschubrichtung des Schweißdrahtes zum eintrittsseitigen Ende desselben eine zunehmende Erweiterung aufweist und im übrigen Bereich eine eng tolerierte zylindrische Bohrung hat, welche der Drahtführung dient. Die eingangsseitige Erweiterung erleichtert das Einfädeln des Schweißdrahtes, sofern ein geringfügiger Versatz der Bohrung in dem keramischen und in dem metallischen Teil besteht und auch dann, wenn die Bohrung im metallischen Teil bereits durch eine Gebrauchsabnutzung erweitert ist.

Anhand der Fig. 1 bis 3 sind vorteilhafte Ausgestaltungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Düsenkopf vergrößert geschnitten, mit einem stirnseitig aufgesetzten Düsenring;

Fig. 2 zeigt einen Düsenkopf mit einem eingesenkten Düsenring geschnitten;

Fig. 3 zeigt einen Düsenkopf mit versenktem Düsenring.

Fig. 1 zeigt ein übliches Profil eines Düsenkopfes (1) vergrößert. Auf die Stirnseite ist ein keramischer Düsenring, der verhältnismäßig flach ausgestaltet ist, mit einem Hochtemperaturlot (3) aufgelötet. Die Schmelzdrahtzuführungsbohrung (B) weist einen eng kalibrierten Durchmesser (D1) auf, der geringfügig größer als der Schweißdrahtdurchmesser ist, der beispielsweise 0,8 mm beträgt. Auch der Düsenring (2) hat den gleichen Innendurchmesser (D1), seine Bohrung schließt genau an die Bohrung (B) im metallischen Teil an. Diese Ausführungsform hat beim normalen Gebrauch eine hohe Lebensdauer, jedoch weist die ungeschützt liegende keramische Ringplatte (2) eine gewisse Stoßempfindlichkeit auf.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des Düsenkopfes (1) gezeigt, bei dem die Stoßempfindlichkeit wesentlich verringert ist, indem der Düsenring (2A) in den metallischen Mündungsbereich eingesenkt ist. Die Länge (L) des Düsenringes entspricht dem 0,5- bis 2fachen Innendurchmesser (D1), damit die Länge des Bereiches der Bohrung (B) im metallischen Kopfbereich, der der Stromübertragung dient, nur unwesentlich verringert ist. Der Außendurchmesser (D2) des Düsenringes (2A) entspricht dem 1- bis 2fachen des Innendurchmessers der Bohrung (B) Zwischen dem keramischen Bereich und dem metallischen Bereich befindet sich ein Hochtemperaturlot (3A), das einen sicheren Halt und einen guten Wärmeübergang zwischen den Teilen erbringt.

Fig. 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Düsenkopfes (1). Bei diesem ist der Mündungsbereich so ausgebildet, daß ein Ringwulst (R) den Düsenring (2B) überkragt. Es ist aus dem gestrichelt dargestellten Überstandmaterial durch einen Umformvorgang gebildet. Dieser Überstand (TM) und die Gesamttiefe (T) der Vertiefung sind derartig gewählt, daß ausreichend Material um die eingebrachte Vertiefung vorhanden ist, um den Ringwulst (R) bilden zu können. Der Ringwulst (R) weist den gleichen Innendurchmesser (D1) wie die Bohrung (B) auf. Seine Axialerstreckung (LR) ist kleiner oder höchstens gleich dem Innendurchmesser (D1).

An dieser Ausführung ist weiterhin eine Erweiterung (2E) des Düsenringes (2B) dargestellt, welche eingangsseitig auf einem Teilabschnitt der Ringlänge angebracht ist und sich zur Eintrittsseite des Schweißdrahtes hin erweitert. Diese Erweiterung dient dem stoßfreien Durchlaufen der Übergangszone, wenn der Draht eingefädelt wird oder wenn die Bohrung (B) bereits durch eine gewisse Abnutzung erweitert ist. Die Länge der Erweiterung erstreckt sich etwa über ein Viertel bis zu der Hälfte der Länge (L) des Düsenringes (2B).

Zwischen der Bohrungsachse des Düsenrings (2, 2A, 2B) und der Schmelzdrahtzuführungsbohrung (B) ist ein in der Zeichnung nicht erkennbarer Achsversatz und/oder eine Achsneigung vorgesehen, was eine gute Anlage des Schweißdrahtes an der Bohrungswandung erbringt.

Bei der Herstellung der Kontaktdüsen aus bereits gebrauchten und deformierten Düsen wird in einem ersten Schritt eine Stauchung des metallischen Körpers vorgenommen, wobei durch einen eingesetzten Kalibrierstift der Innendurchmesser wiederhergestellt wird und der Mündungsbereich eine vorgegebene Form erhält. Je nach Ausführung ist die Mündungsform plan für das Aufbringen des plattenförmigen Düsenringes, oder es ist eine mehr oder weniger tiefe Einsenkung dort eingebracht. Diese Einsenkung liegt möglichst konzentrisch oder minimal versetzt und/oder geneigt zur Bohrung (B). Die Einsenkung kann durch eine spanabhebende Bearbeitung oder durch einen Preßvorgang eingebracht werden. Letzterer hat den Vorteil, daß kein Material verloren geht, und dieses für die Ausbildung des Ringwulstes verfügbar wird.

In die Einsenkung wird der keramische Düsenring eingesetzt, und dann wird eine Verformung des metallischen umgebenden Materials vorgenommen, so daß durch eine Anstauchung der Düsenring allseitig fugenlos gefaßt ist und gegebenenfalls der stirnseitige Wulst übergebördelt ist. Auch bei diesen Bearbeitungsvorgängen wird die geometrische Zuordnung von Bohrung (B), Düsenring und Ringwulst durch eine eingebrachte Kalibriernadel sichergestellt.

Der Düsenring selbst wird vorzugsweise durch einen Sintervorgang hergestellt, bei dem sich in der entsprechenden Sinterformteile äußerster Präzision und Materialdichte erzeugen lassen.

Zur Wiederherstellung von Kontaktdüsen, die bereits mit einem Düsenring ausgerüstet waren, wird jeweils der abgenutzte Düsenring herausgebrochen und der Ringwulst aufgewölbt, zurückgelegt und nach dem Einsetzen eines neuen Düsenringes wieder verstemmt. Soweit erforderlich, wird vor dem Einsetzen des Düsenringes die Innenbohrung rekalibriert, indem ein Kalibrierdorn eingeführt und ein Preßvorgang in einer Matrize vorgenommen wird. Bei diesem Preßvorgang wird vorteilhaft der Mündungsbereich um die Aufnahmebohrung des Düsenringes ebenfalls durch das Pressen restauriert und die Einsenkung durch einen eingesetzten Dorn in ihrem Durchmesser erhalten.

Claims (7)

1. Kontaktdüse für die Schmelzschweißtechnik mit einem Düsenkopf (1) aus einer verschleißfesten metallischen Legierung, mit einer eng tolerierten axialen Schweißdrahtzuführungsbohrung (B) und einem in deren Mündungsbereich angeordneten nichtmetallischen Düsenring (2, 2A, 2B), aus einem hochverschleißfesten Keramikwerkstoff und wobei der Düsenring (2B) mündungsseitig einen gleichen Innendurchmesser (D1) wie die Schweißdrahtzuführungsbohrung (B) in dem metallischen Legierungsmaterial hat und innenliegend, eintrittseitig des Schweißdrahtes eine zunehmende Erweiterung (2E) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Legierungsmaterial des Düsenkopfs (1) stirnseitig plan oder eingesenkt ist und der Düsenring (2, 2A, 2B) dort mit seiner Bohrungsachse geringfügig versetzt und/oder geringfügig geneigt zur Schmelzdrahtzuführungsbohrung (B) auf- oder eingesetzt ist und mit dem metallischen Legierungsmaterial verbunden ist.

2. Kontaktdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungsachse des Düsenringes (2, 2A, 2B) um ca. 0,1 mm gegen die Schmelzdrahtzuführungsbohrung (B) versetzt ist und/oder eine Achsneigung zwischen 1° und 5° aufweist.

3. Kontaktdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Legierungsmaterial den Düsenring (2B) stirnseitig mit einem Ringwulst (R) übergreift, der den gleichen Innendurchmesser (D1) wie der Düsenring (2B) hat.

4. Kontaktdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringwulst (R) eine Axialerstreckung (LR) hat, die geringer als der Innendurchmesser (D1) ist.

5. Kontaktdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenring (2, 2A) durch ein Hochtemperaturlot (3, 3A) mit dem metallischen Legierungsmaterial verbunden ist.

6. Verfahren zur Herstellung von Kontaktdüsen, insbesondere aus verbrauchten Kontaktdüsen mit deformiertem Mündungsbereich, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß deren metallisches Legierungsmaterial leicht versetzt und/oder leicht geneigt zur Schweißdrahtzuführungsbohrung (B) plan bearbeitet und/oder eine Erweiterung bildend eingesenkt wird, wonach der hartkeramische Düsenring (2, 2A) auf den so bearbeiteten planen Bereich oder in die Erweiterung gesetzt und mit Hochtemperaturlot (3, 3A) unter Vakuum oder einer Schutzbegasung verlötet wird oder daß die Erweiterung des Mündungsbereiches in einer Länge (L) des Düsenringes (2B) zuzüglich eines Materialüberstandes (TM), der zur Bildung eines frontseitigen Ringwulstes (R) erforderlich ist, vorgenommen wird und daß nach dem Einsetzen des Düsenringes (2B) dahinein das mündungsseitig überstehende metallische Legierungsmaterial durch einen Kaltfließ-Preß- und/oder -Taumelvorgang unter Herstellung einer vorgegebenen Mündungskontur zu dem Ringwulst (R) umgeformt, angestaucht und verfestigt wird, wobei eine Kalibrier- und Zentriernadel den Düsenring (2B) zu der Schweißdrahtzuführungsbohrung (B) versetzt und/oder geneigt gerichtet hält.

7. Verfahren zur Herstellung von Kontaktdüsen, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Gebrauch einer Kontaktdüse erweiterte Schweißdrahtzuführungsbohrung (B), vor der Bearbeitung und dem Ein- oder Aufsetzen des Düsenringes (2, 2A, 2B) durch einen Preßvorgang verengt und kalibriert wird.