DE602005004674T2

DE602005004674T2 - Schweissbrenner und Abschirmung

Info

Publication number: DE602005004674T2
Application number: DE602005004674T
Authority: DE
Inventors: Mark Christopher Colchester Essex Ireland; Daniel Belper Derbyshire Clark; Jeffrey Littleover Derby Allen; Barry David Hathern Leicestershire Smith; Alexander Littleover Derby Kutschererawny
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: DE602005004674D1; ES2298957T3; US7220935B2; EP1563939A1; EP1563939B1; US20050173379A1; GB0402951D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schweißbrenner und insbesondere auf eine Abschirmung, die zur Benutzung in Verbindung mit einem Schweißbrenner geeignet ist.
Es ist bekannt, metallische Werkstücke durch Ablagerung von Schweißmaterial auf einer Grundplatte zu erzeugen. Das Schweißmaterial kann durch Laserschweißen, durch ein Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) oder ein Wolfram-Inertgas-Schweißen (TIG) abgelagert werden.
Sowohl bei dem MIG-Schweißen als auch bei dem TIG-Schweißen wird ein Schweißbrenner benachbart zu einer Grundplatte angebracht, auf der das Werkstück erzeugt werden soll. Innerhalb des Schweißbrenners ist eine Elektrode derart angeordnet, dass dann, wenn ein elektrischer Strom durchfließt, ein Lichtbogen zwischen der Elektrode des Schweißbrenners und der Grundplatte gezogen wird. Der Lichtbogen erzeugt eine ausreichende Hitze, damit die Verschweißung stattfinden kann.
Bei dem MIG-Schweißen schmilzt die Elektrode und bildet ein Schweißbad in der Oberfläche des Werkstückes. Bei dem TIG-Schweißverfahren schmilzt jedoch der Lichtbogen das Material der Grundplatte, und es wird ein Abbranddraht in das Schweißbad geführt, um ein Werkstück zu erzeugen.
Bei einem Verfahren, das als SMD bekannt ist (geformte Metallablagerung) wird ein durch Roboter gesteuerter Schweißbrenner benutzt, um Strukturen in Schichten aufzubauen, wobei Draht als Rohmaterial Verwendung findet.
Bei dem SMD-Verfahren wird vorzugsweise Titan benutzt, das ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist.
Ein Problem bei der Schweißablagerung von Materialien, wie beispielsweise Titan, besteht darin, dass Sauerstoff und Stickstoff in die Materialien diffundieren können, wodurch eine Sprödigkeit und Oberflächenentfärbung bewirkt wird. Um dies zu verhindern, wird der Ablagerungsprozess in einer inerten Atmosphäre durchgeführt. Kammern, die mit einem inerten Gas gefüllt sind, beispielsweise mit Argon, werden gewöhnlich benutzt, aber derartige Kammern sind kostspielig und erfordern hohe laufende Kosten infolge der großen Mengen des erforderlichen inerten Gases.
Um die Benutzung teurer Inertgaskammern zu vermeiden, ist es bekannt, örtliche Strömungen von Abschirmgasen durch den Schweißbrenner zu leiten. Das Gas tritt durch eine Düse aus, die um die Elektrode des Schweißbrenners herum angeordnet ist. Die Düse richtet diese geringe Gasströmung auf das geschmolzene Schweißbad. Die Gasabschirmungen des geschmolzenen Schweißbades gegenüber der Atmosphäre verhindern eine Oxidation.
Die Gasströmung durch die Düse des Schweißbrenners ergibt einen Schutz für das Schweißbad, jedoch oxidiert die durch Hitze beeinflusste Zone rings um das Schweißbad herum. Eine zusätzliche Abschirmung der durch Hitze beeinflussten Zone ist daher erforderlich.
Die US-A-5811055 beschreibt ein Schweißsystem, bei dem eine flexible Schürze oder eine aufblasbare Dichtung benutzt wird, um zu verhindern, dass Luft oder Gas aus einer Umhüllung an einer unflexiblen elektromagnetischen Basis vorbei ausströmt.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Schweißbrenner mit einer Abschirmung, die eine lokalisierte Abschirmung des geschmolzenen Schweißbades und der durch Hitze beeinflussten Zone bewirkt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Schweißbrenner zur Schweißablagerung eines Bauteils ein Schweißelement, eine Düse, die das Schweißelement umschließt und durch die eine erste Strömung eines Fluid hindurchtritt und Mittel zur Zuführung eines Schweißfüllmaterials nach dem Schweißelement und eine Abschirmung, die die Düse umgibt und eine Umhüllung um die Düse definiert, der eine zweite Strömung eines Fluid zugeführt wird, wobei die Abschirmung eine aufblasbare Dichtung aufweist, die darauf montiert ist, um eine Abdichtung zwischen der Abschirmung und dem Bauteil zu erreichen und wobei die zweite Fluidströmung die Dichtung aufbläst, die aus einem porösen Material besteht.
Die Fluidströmung durch die Düse schützt das geschmolzene Schweißbad, und die Abschirmung verhindert eine Oxidation der durch Hitze beeinflussten Zone um das Schweißbad herum. Im aufgeblasenen Zustand erhält die Abdichtung an der Abschirmung eine erhöhte Starrheit, wobei eine genügende Flexibilität erhalten bleibt, um der Kontur des Bauteils zu folgen, so dass verhindert wird, dass Luft in die durch Hitze beeinflusste Zone eingesaugt wird.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt die Abschirmung einen durchgehenden Kanal, über den ein Fluid, beispielsweise ein inertes Gas, hindurchtritt, um die Dichtung aufzublasen. Vorzugsweise wird der Kanal durch zwei Flansche definiert, an denen die Dichtung festgelegt ist und die sich über den gesamten Umfang der Abschirmung erstrecken. Der Kanal kann einen Diffusor aufweisen.
Vorzugsweise verlaufen die Mittel zur Zuführung des Schweißfüllmaterials durch die Abschirmung hindurch und sind auf das Schweißelement gerichtet. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Schweißelement eine Elektrode, jedoch kann es auch ein Laser sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abschirmung für einen Schweißbrenner einen Wandkörper, der eine Umhüllung definiert, und der Wandkörper hat eine Öffnung an beiden Enden, und die Öffnung an einem Ende des Wandkörpers ist zur Befestigung am Schweißbrenner bestimmt, und die Öffnung am anderen Ende des Wandkörpers hat eine aufblasbare Dichtung, die über den Umfang hiervon angeordnet ist, wobei die aufblasbare Dichtung aus einem porösen Material besteht.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die aufblasbare Dichtung an Flanschen montiert, die am Ende des Wandkörpers angeordnet sind. Die Flansche definieren einen Kanal, durch den eine Fluidströmung, beispielsweise ein inertes Gas, hindurchtritt, um die Dichtung aufzublasen.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die 1 der Zeichnung zeigt eine Teilschnittansicht eines Schweißbrenners mit einer Abschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 1 ist ein Wolfram-Inertgas-Schweißbrenner 10 (TIG-Schweißbrenner) vorgesehen, der eine Wolframelektrode 12 aufweist, die innerhalb einer Keramikdüse 14 angeordnet ist. Eine Abschirmung 20 ist am Schweißbrenner 10 durch Schrauben 19 befestigt. Die Abschirmung 20 definiert eine Umhüllung rings um die Düse 14. Die Abschirmung weist zwei Ringflansche 22 und 24 auf, die einen Ringkanal 26 dazwischen bilden. Ein Ring 28 aus aufblasbarem Material ist an den Flanschen 22 und 24 festgelegt. Der Ring 28 aus aufblasbarem Material ist an den Flanschen 22 und 24 durch Sicherungsringe 29 festgelegt.
Im Betrieb wird ein Lichtbogen zwischen der Elektrode 12 und einem Substrat 16 gezogen. Der Lichtbogen erhitzt das Substrat 16 und schmelzt dieses, und in die Schmelze wird ein Draht 18 aus Füllmaterial eingeführt. Der Draht 18 aus Füllmaterial tritt durch die Abschirmung 20 hindurch. Es sind Führungsmittel 21 vorgesehen, um den Draht 18 in das Schweißbad hinein zu richten. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht der Fülldraht 18 aus Titan.
Die Elektrode 12 besteht aus Wolfram und schmilzt nicht, wenn die Verschweißung stattfindet. Es wird ein inertes Gas dem Schweißbrenner 10 zugeführt, und dies strömt durch die Düse 14 aus, um den Schweißlichtbogen zu steuern und um das geschmolzene Schweißbad gegenüber der Atmosphäre abzuschirmen und um eine Oxidation zu verhindern. Vor Austritt aus der Düse 14 durchströmt das Abschirmgas einen nicht dargestellten Diffusor. Der Diffusor liefert eine laminare Strömung, so dass der Lichtbogen nicht ausgeblasen wird. Das benutzte Abschirmgas besteht aus Argon, jedoch ist auch eine Mischung aus Argon und Helium möglich, wodurch ein heißerer Lichtbogen erzeugt und ein tieferes Eindringen erreicht werden kann. Die Menge der Gasströmung nach dieser Primärabschirmung liegt in der Größenordnung von 15 bis 25 Litern pro Minute, jedoch ist es klar, dass die jeweilige genaue Strömung von der speziellen Anwendung abhängt.
Das primäre Abschirmgas aus der Düse 14 des Schweißbrenners 10 kann nicht die durch Hitze beeinflusste Zone bedecken, wenn Titan auf einem dicken Substrat abgelagert wird. Die Abschirmung 20 bildet daher eine Sekundärabschirmung der durch Hitze beeinflussten Zone.
Eine zweite Strömung aus Abschirmgas wird dem Ringkanal 26 zugeführt, der durch die beiden Ringflansche 22 und 24 der Abschirmung 20 gebildet wird. Die Sekundärströmung des Abschirmgases wird dem Kanal 26 über drei Einlässe 31 zugeführt, die im gleichen Abstand um die Abschirmung 20 herum angeordnet sind. Das durch die Einlässe 31 eintretende Gas wird durch Gitter 30 aus rostfreiem Stahl in den Materialring 28 diffundiert. Der Materialring 28 ist porös, aber er liefert einen genügenden Widerstand gegenüber der hindurchtretenden Gasströmung, um den Ring 28 aufzublasen. Der aufgeblasene Ring 28 schützt den inneren Schweißbereich gegenüber Turbulenzen, und er verhindert auch, dass Luft in die äußere durch Hitze beeinflusste Zone eingesaugt wird.
Nach dem Aufblasen befindet sich der Materialring 28 unter Spannung und besitzt eine erhöhte Starrheit, wobei jedoch gleichzeitig seine Flexibilität aufrecht erhalten bleibt. Der aufgeblasene Ring 28 ist in der Lage, den Konturen des Substrates zu folgen und unterstützt die Aufrechterhaltung des Druckes innerhalb des Schweißbereiches. Der aufgeblasene Ring 28 ergibt den weiteren Vorteil, dass das Material als weiterer Diffusor für die Sekundärströmung des Abschirmgases wirkt. Dies vermindert Turbulenzen und verhindert jede Instabilität im Schweißlichtbogen.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht der Ring 28 aus Siliziumdioxidfasern, die zu einem Gewebe verwoben sind, das unter der Bezeichnung Dalfratex^® bekannt ist. Die Siliziumdioxidfasern ergeben den Vorteil, dass sie bei Temperaturen im Bereich zwischen 1000 und 1600°C während einer begrenzten Zeitdauer arbeiten können. Es ist jedoch klar, dass sich die Temperatur der durch Hitze beeinflussten Zone in Abhängigkeit von der Type des zu verschweißenden Materials und in Abhängigkeit von der Dicke des Materials und dem Durchmesser der Abschirmung 20 ändert. Es können daher auch andere Materialien für den Ring 28 benutzt werden, vorausgesetzt, dass das gewählte Material den Temperaturen in der durch Hitze beeinflussten Zone bei der jeweiligen Anwendung widerstehen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit einem TIG-Schweißbrenner beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die Abschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung auch bei einem MIG-Schweißbrenner oder bei einem Schweißbrenner benutzt werden könnte, bei dem das Schweißelement ein Laser ist.

Claims

Schweißbrenner (10) zur Schweißablagerung eines Bauteils (16) mit einem Schweißelement (12), mit einer Düse (14), die das Schweißelement (12) umschließt und durch die eine erste Fluidströmung hindurchtritt, mit Mitteln (21) zum Zuführen eines Schweißfüllmaterials (18) nach dem Schweißelement (12) und mit einer Abschirmung (20), die die Düse (14) umschließt und eine Umhüllung (22) um die Düse (14) herum bildet, der eine zweite Fluidströmung zugeführt wird, wobei die Abschirmung (20) eine darauf montierte, aufblasbare Dichtung aufweist, um eine Abdichtung zwischen der Abschirmung (20) und dem Bauteil (16) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fluidströmung die Dichtung (28) aufbläst, die aus einem porösen Material besteht.
Schweißbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (20) einen darin befindlichen Kanal (26) aufweist, durch den eine zweite Fluidströmung hindurchtritt, um die Dichtung (28) aufzublasen.
Schweißbrenner (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (26) sich über den gesamten Umfang der Abschirmung (20) erstreckt.
Schweißbrenner (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (26) zwischen zwei Flanschen (22, 24) an der Abschirmung (20) definiert ist und dass die Dichtung (28) daran festgelegt ist.
Schweißbrenner (10) nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (26) einen Diffusor aufweist.
Schweißbrenner (10) nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein Faserstoffmaterial aus Siliziumdioxidfasern ist.
Schweißbrenner (10) nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißelement (12) eine Elektrode ist.
Schweißbrenner (10) nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißelement (12) ein Laser ist.
Schweißbrenner (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (21) zum Zuführen des Schweißfüllmaterials (18) durch die Abschirmung (20) hindurch verlaufen.
Schweißbrenner (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid und das zweite Fluid aus einem inerten Gas bestehen.
Abschirmung (20) für einen Schweißbrenner (10) mit einem Wandkörper, der eine Umhüllung (22) definiert, wobei der Wandkörper eine Öffnung an beiden Enden aufweist und die Öffnung an einem Ende des Wandkörpers zur Befestigung an dem Schweißbrenner (10) dient, während die Öffnung an dem anderen Ende des Wandkörpers eine aufblasbare Dichtung (28) aufweist, die um den Umfang herum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die aufblasbare Dichtung (28) aus einem porösen Material besteht.
Abschirmung (20) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aufblasbare Dichtung (28) auf Flanschen (22, 24) montiert ist, die am Ende des Wandkörpers vorgesehen sind.
Abschirmung (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flansche (22, 24) einen Kanal (26) definieren, durch den eine Fluidströmung hindurchtritt, um die Dichtung (28) aufzublasen.
Abschirmung (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein inertes Gas ist.
Abschirmung (20) nach den Ansprüchen 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Diffusor in dem Kanal (26) angeordnet ist.
Abschirmung (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein Faserstoffmaterial ist, das aus Siliziumdioxidfasern besteht.
Abschirmung (20) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (21) zur Zuführung eines Schweißfüllmaterials (18) durch den Wandkörper hindurch geführt sind.