-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Plasma-Schweißbrenner-Anordnung
zum Zuführen
zusätzlich
zu anderen Materialien eines pulverförmigen Füllmaterials in einem Schweißbrenner gemäß dem Gattungsbegriff
von Anspruch 1.
-
Die
Verwendung von pulverförmigem
Füllmaterial
bei mechanisiertem Schweißen
ist im Stand der Technik wohl bekannt. Pulverisiertes Füllmaterial wird üblicherweise
während
des Schweißens
von nach unten gerichteten Schweißungen mit breitem Spalt und
in horizontaler Position sowie bei der Plasma-Spraybeschichtung
hinzugefügt.
Beim Schweißen
von Verbindungen ist das hinzugefügte pulverisierte Füllmaterial ähnlich zu
dem zu verbindenden Material, während
bei der Plasma-Spraybeschichtung
das pulverisierte Füllmaterial
in einem weiten Bereich gemäß der gewünschten
Beschichtung verändert
werden kann. Ein pulverisiertes Füllmaterial wird besonders vorteilhaft
beim Plasma- und Laserschweißen
verwendet.
-
Bei
bekannten Ausführungsformen
ist die Dosierung des pulverisierten Füllmaterials typischerweise
so angeordnet, daß ein
Streifen des pulverisierten Füllmaterials über eine
Düsenmündung am Boden
des Behälters
des pulverisierten Materials einem beweglichen Träger, wie
beispielsweise einer Rolle oder einem Band zugeführt wird. Das dosierte pulverisierte
Material wird von der Trägeroberfläche durch
Schwerkraft oder komprimiertes Gas in ein Transportsystem übertragen,
was das pulverisierte Füllmaterial
zu der Schweißschmelze
fördert.
Das Transportsystem besteht üblicherweise
lediglich aus einer Röhrenöffnung in
der Nähe
des Plasmabogens, so daß das
pulverisierte Füllmaterial,
das über
das Rohr gefördert
wird, in das Plasma gerichtet wird. Gelegentlich hat das pulverisierte
Material das Bestreben, die Zuführungsleitung
zu verstopfen, wodurch sich eine pulsierende Zuführung des pulverisierten Materialstroms
ergibt. Eine konstante Zuführungsrate
des pulverisierten Materialstroms ist mittels einer Zuführungsleitung
mit kleinem Durchmesser kombiniert mit einer hohen Fließgeschwindigkeit versucht
worden.
-
In
einem Plasma-Schweißbrenner
wird der für
die Schweißung
verwendete Hauptbogen zwischen der zentralen Elektrode des Schweißbrenners und
dem Werkstück
angeregt. Der Düsenteil
des Schweißbrenners
umfaßt
zwei koaxial angeordnete Kammern. Die innere Kammer beherbergt eine
zentrale Wolframelektrode und die Kammer ist mit einer Mündung versehen,
die auf die Elektrodenspitze ausgerichtet ist. Das in ein Plasma
zu ionisierende Mündungsgas
wird in diese Kammer geführt.
Die innere Kammer ist koaxial durch eine zweite Kammer umschlossen,
die einen ringförmigen
Austrittsschlitz besitzt, der die Düse er inneren Kammer umgibt.
Diese äußere Kammer
wird mit einem Schutzgas gespeist, dessen Austrittsfluß den Hauptbogen
schützt.
Offensichtlich ist die Zuführung
des pulverisierten Füllmaterials
in den Bogen des Plasma-Schweißbrenners schwierig.
Der Plasmabogen selbst ruft ein relativ starkes Blasen hervor, welches
das pulverisierte Material zurückweist
und darüber
hinaus ist der Bogen durch eine Schutzgasumhüllung umgeben, durch welche
das pulverisierte Material in den Hauptbogen eingegeben werden muß. Wenn
große
Beträge
an pulverisiertem Material verwendet werden können, so ist die masse des
pulverisierten Materialflusses beträchtlich, wobei seine Eindringungsfähigkeit
in den Plasma-Lichtbogen ebenfalls verbessert wird. Typischerweise
ist jedoch die Zuführungs-Düsenmündung der
Dosiereinrichtung für
das pulverisierte Material in Schweißbrennern mit hoher Kapazität relativ
weit von dem Lichtbogen angeordnet, wodurch ein Teil des Füllmaterials
den richtigen Zielpunkt nicht erreichen kann und statt dessen außerhalb
der Schmelzkuhle verlorengeht. Darüber hinaus gestattet der große Abstand
zwischen der Düsenmündung und
dem beabsichtigtem Ziel dem Strahl aus pulverisiertem Material eine
Aufspreizung, was in einer aufgefächerten Form des Strahles resultiert.
Der Spreizwinkel wird weiter aufgeweitet durch das verteilte Geschwindigkeitsprofil
der Strahlpartikel. Bei großen
Massegeschwindigkeiten des Füllmaterials ist
der Teil des Streustromes bezogen auf die gesamte Massengeschwindigkeit
nicht von Entscheidung, wobei geringe Änderungen in dem Streustrom
keinen größeren Fehler
der tatsächlichen
Füllmaterialmenge hervorrufen,
die den Haupt-Lichtbogen erreicht. Bei geringen Massengeschwindigkeiten
in der Größenordnung
von wenigen Gramm pro Stunde können Veränderungen
in dem Verhältnis
des Streustroms des Füllmaterials
leicht hohe Abweichungen in der tatsächlichen Massengeschwindigkeit
des zugeführten
Füllmaterials
hervorrufen, so daß ein
genaues Zielen des Füllmaterials
in den Plasma-Lichtbogen erforderlich ist.
-
Die
US-A-3,071,678 zeigt eine Plasma-Schweißbrenner-Anordnung zum Zuführen zusätzlich zu anderen Materialien
eines pulverförmigen Füllmaterials
in einem Schweißbrenner,
wobei der Schweißbrenner
die Merkmale gemäß dem Gattungsbegriff
von Anspruch 1 aufweist. Bei dieser Anordnung wird das Pulver mit
sehr hoher Geschwindigkeit in einem Wirbel zugeführt und anschließend einer
Düseneinrichtung
oder Pfeife. Bei dieser Anordnung wird ein gleichförmiger und
stetiger Pulverfluß erzielt,
aber der stetige Fluß wird
nur durch die Verwendung einer sehr hohen Materialgeschwindigkeit
erzielt. Diese Vorrichtung kann nur für große Pulverbeträge verwendet
werden, da die Pfeifen der Vorrichtung blockieren, wenn die Pulvergeschwindigkeit nicht
hoch genug ist. Der Größenbereich
des bei dieser Vorrichtung verwendbaren Pulvers ist ebenfalls beschränkt und
die Korngrößenverteilung
muß gleichmäßig sein
oder es tritt eine Blockierung auf.
-
Herkömmliche
Verfahren der Füllmaterialzuführung in
der Form eines Drahtes oder eines Stockes, sei es beim mechanisierten
Schweißen
oder beim Handschweißen,
können
nicht vollständig
die Verwendung des pulverisierten Füllmaterials ersetzen. Wenn
eine sehr geringe Rate der Füllmaterialzuführung gewünscht ist,
so weist die Drahtzuführung eine
Bördelbildung
an der Drahtspitze vor der Übertragung
der Füllmaterialtropfen
zu dem zu schweißenden
Objekt auf. Darüber
hinaus bietet die Verwendung von pulverisiertem Füllmaterial
hauptsächlich
eine verbesserte Qualität
und Produktivität,
wenn die Dosierung und Zuführung
des Füllmaterials
in einer zuverlässigen
Weise vorgenommen werden kann. Im Stand der Technik ist ein Schweißbrenner mit
pulverisierter Materialzuführung,
der für
eine Handschweißung
geeignet ist, kommerziell nicht verfügbar und die Herstellung einer
Schweißbrennerdüse mit hinreichend
kleiner Abmessung bis herunter zur Mikro-Plasmaschweißung ist
nicht möglich
gewesen.
-
Eine
Plasma-Schweißbrenner-Anordnung gemäß dem Gattungsbegriff
von Anspruch 1 ist aus der
US-PS
48 66 240 bekannt.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasma-Schweißbrenner
zum Zuführen von
Füllmaterial
zu schaffen, der ein geglättetes
Geschwindigkeitsprofil des pulverisierten Füllmaterials bietet sowie eine
genaue Zuführung
des Materials in den Plasma-Lichtbogen.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Plasma-Schweißbrennerdüse mit einem
Aufbau zu schaffen, die die gleichzeitige Zuführung sowohl des Schutzgases
als auch des Füllmaterials
zu dem zu schweißenden
Objekt über
ein gemeinsames Rohrsystem von Kanälen gestattet und somit die
Abmessungen der Düsenspitze
so klein hält,
daß ein pulverisiertes
Füllmaterial
in gewöhnlicher
Weise in eng begrenzten Räumen
verwendet werden kann.
-
Gemeinsam
mit bekannten Konstruktionen fördert
das Transportsystem das pulverisierte Material zu dem zu schweißenden Objekt
durch Schwerkraft oder mit Hilfe eines Trägergases.
-
Die
Erfindung basiert auf der Aufteilung des Füllmaterialflusses anfänglich entlang
eines ersten Kanals, welcher sodann in eine Leitung verzweigt, die
wenigstens zwei getrennte Kanäle
umfaßt,
die seitlich von dem ersten Kanal verzweigen.
-
Das
Leitungssystem der verzweigten Kanäle kann weiter in eine größere Anzahl
von Kanälen
unterteilt werden und gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung treten die mehreren verzweigten Kanäle in eine
Zuführungsdüse des pulverisierten
Materials und des Schutzgases aus, wobei die Düse mit mehreren Nuten versehen
ist, die der Führung
des Schutzgases und des pulverisierten Materials zu dem Plasma-Lichtbogen
des Schweißbrenners
und der Laminarhaltung des Gasflusses dienen.
-
Insbesondere
ist der Plasma-Schweißbrenner
in Anspruch 1 definiert.
-
Die
Erfindung bietet beträchtlichen
Nutzen.
-
Die
Schweißbrennerkonstruktion
erzielt einen extrem sanften Füllmaterialfluß, wobei
eine andauernd hohe Qualität
der Schweißung
erzielt werden kann. Das Füllmaterial
wird genau in den Lichtbogen gerichtet, der an der Düse austritt
und es kann ein kurzer Abstand von den Zuführungsöffnungen der Düse zu dem
Lichtbogen aufrecherhalten werden. Da die Düse eine Glättung der Partikel-Geschwindigkeitsänderungen
hervorruft, ergibt sich eine extrem geringe Aufspreizung des pulverisierten
Materialstromes. Der Schutzgasstrom kann leicht laminar gemacht
werden, wodurch eine gute Abdeckung der Schweißschmelze in allen Fällen erzielt
wird. Die vorliegende Düsenkonstruktion
kann mit dem Schweißbrennergehäuse befestigt
werden, wodurch der übliche
Schutzgasstrom oder eine ähnliche
Struktur ersetzt wird und sie kann für eine solch geringe Größe entworfen
werden, die ihre Verwendung bei Hand-Schweißbrennern in sehr begrenzten
Arbeitsplätzen
gestattet. Die Düse
kann durch relativ einfache Herstellungsschritte als integraler
Teil des Schweißbrenners
hergestellt werden oder alternativ als eine getrennte lösbare Komponente,
wobei der Schweißbrenner
ebenfalls ohne pulverisierte Materialzufuhr betätigt werden kann, wenn er mit
einem unterschiedlichen Düsentyp
ausgerüstet
ist. Augenscheinlich kann ein Schweißbrenner mit einem integralen
Zuführungsrohr
für pulverisiertes
Material zusammen mit alternativen Füllmaterialien verwendet werden,
wenn die pulverisierte Materialzufuhr abgetrennt wird. Wenn das
Füllmaterial
in pulverisierter Form zugeführt
wird, kann das Schweißgerät die andere
Hand von der Füllmaterialzufuhr
befreien, was wesentlich zu Erleichterung der Arbeit beiträgt. Die Verwendung
eines pulverisierten Füllmaterials
erzielt eine merklich höhere
Produktivität
und Qualität
der Schweißung
als sie bei der Verwendung eines Füllmaterialdrahtes erzielbar
ist. Die Düsenkonstruktion gemäß der Erfindung
gestattet die Verwendung von pulverisiertem Füllmaterial ebenfalls bei anderen
Positionen als der horizontalen Position. Ebenfalls eine Überkopfschweißung wird
mit pulverisiertem Füllmaterial
möglich,
wenn die Düsenkonstruktion
gemäß der Erfindung
verwendet wird. Aufgrund der oben beschriebenen Gründe kann
die Produktivität
der Plasmaschweißung
wesentlich mit Hilfe der Düse
gemäß der vorliegenden
Erfindung verbessert werden. Die Düse ist preiswert herzustellen
und ihre Elemente können
austauschbar gemacht werden, was die Wartung der Düse vereinfacht.
-
Im
folgenden wird die Erfindung in näheren Einzelheiten unter Zuhilfenahme
der beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in welchen
-
1 den Längsschnitt einer Düse gemäß der Erfindung
zeigt,
-
2–5 Schnitte
A-A, B-B, C-C und D-D der in 1 veranschaulichten
Ausführungsform
zeigen,
-
6 eine weitere Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
-
7–10 Schnitte
E-E, F-F, G-G und H-H der in 6 veranschaulichten
Ausführungsform
zeigen,
-
Die
Zuführungsanordnung
des pulverisierten Füllmaterials
gemäß der Erfindung
kann z. B. für
die in den 1 bis 10 veranschaulichten Ausführungsformen
durch Gießen
oder Einarbeiten der erforderlichen Kanäle in den Schweißbrennerkörper 1 hergestellt
werden, der aus einem leicht zu bearbeitenden Plastikmaterial besteht.
In den 1 bis 10 ist der eigentliche Schweißkörper schematisch
dargestellt und umfaßt
einen Gehäuseteil 1,
einen Steuerknopf 21 der Plasma-Lichtbogenelektrode und
ein Plasma-Düsenstück 3.
Das Zuführungs-Leitungssystem des
pulverisierten Füllmaterials
wird durch Kanäle 6, 7, 8, 9 und 12 des
Schweißbrenner-Gehäuseteils 1 und
einen zweiteiligen Hülsenteil 4, 5 gebildet,
der den Gehäuseteil 1 umschließt. Das
Zuführungskanal-Leitungssystem 6, 7, 8, 9 ist
in die Außenfläche des
Gehäuseteils 1 eingearbeitet,
wobei die Kanäle an
dieser Oberfläche
noch geöffnet
sind. Die zweiteilige Hülse 4, 5,
die um den Gehäuseteil 1 angeordnet wird, begrenzt
die offenen Kanäle
in geschlossene Flußkanäle. Der
obere Hülsenteil 4 kann
als ein integraler Teil des Schweißbrenners entworfen sein, während der
untere Hülsenteil 5 lösbar sein
kann, wobei die Hülsenteile 4, 5 entlang
eines Saumes 14 trennbar sind. Die Befestigung des lösbaren Hülsenteils 5 kann
mit Hilfe einer Verschraubung der Teile oder einer Verbindungshülse erfolgen.
Das Herstellungsmaterial des oberen Hülsenteils kann frei gewählt werden,
wobei das Teil beispielsweise aus Plastik hergestellt werden kann.
Der untere Hülsenteil
besteht vorteilhaft aus Kupfer aufgrund seiner hohen thermischen
Leitfähigkeit,
wobei andere Materialien mit ausreichender Standfestigkeit ebenfalls
verwendbar sind.
-
Die
Füllmaterialzufuhr
zu dem Handteil des Schweißbrenners
kann entlang einer oder zweier Zuführungsleitungen erfolgen. Das
tatsächliche
Zuführungs-Leitungssystem
beginnt als zwei getrennte Kanäle 6,
welche zunächst
innerhalb des Schweißbrenner-Gehäuseteiles 1 verlaufen
und sich sodann zu der Außenfläche des
Gehäuseteils
aufteilen, wo sie weiter in zwei Zweige 7 unterteilt werden.
Diese ersten Zweige 7 werden jeweils als nächstes in
zwei weitere Zweige 8, 9 unterteilt, wodurch acht
Zuführungszweige
gebildet werden, die symmetrisch auf der Außenfläche des Schweißbrenner-Gehäuseteils
angeordnet sind. Die Verzweigungspunkte der Kanäle sind abgerundet, um den
stetigen Fluß des
Füllmaterials
zu verbessern. Diese acht Kanäle
treten letztlich in einem Ringraum 10 aus, der die gesamte
Spitze des Schweißbrenners
umgibt, wobei dieser Raum weiter in einem für den Zweck entworfenen Düsenteil mündet, der
durch den lösbaren
Hülsenteil 5 sowie die
Längsnuten 11 und
dazwischen angeordnete Rippen 12 auf dem unteren Gehäuseteil 1 des
Schweißbrenners
gebildet wird. Die Innenfläche
des lösbaren Düsen-Hülsenteils 5 kann
mit ähnlichen
Nuten und Rippen versehen sein oder glatt ausgebildet sein. In dem
in den 1 bis 10 veranschaulichten Ausführungsformen
ist die Innenfläche
des lösbaren
Düsen-Hülsenteils 5 mit
Nuten versehen und die Oberflächen
des Düsenteiles 5 und
die Rippen des Gehäuseteiles 1 berühren einander
nicht. Die Spitze 13 des Düsen-Hülsenteiles 5 verläuft schräg zu der
Mittellinie der Düsenspitze,
wodurch das Schutzgas und der Füllmaterialfluß konvergieren
und genau um den Plasma-Lichtbogen in einem Abstand von ungefähr 5 mm
von der Spitze des Plasma-Düsenstückes 3 fokussiert
werden.
-
Das
pulverisierte Füllmaterial
tritt in den Schweißbrenner-Düsenteil
entlang eines oder zweier Zuführungskanäle 6 ein,
wie dies in den 1 bis 10 gezeigt ist. Diese Kanäle 6 werden über den Schweißbrenner-Handgriffteil
an die Füllmaterial-Zuführungseinrichtung
angeschlossen, die das Füllmaterial
der Düse
zuführt,
das durch ein Trägergas,
welches mit hoher Geschwindigkeit fließt, gefördert wird. Da die Zuführungsentfernung
des Füllmaterials
relativ lang ist, typischerweise in der Größenordnung von wenigen Metern,
muß die
Fließgeschwindigkeit
des Trägergases
typischerweise in der Größenordnung von
ungefähr
20 m/s sein, was eine wirksame Verzögerung der Fließgeschwindigkeit
nach dem Eintritt des Trägergases
mit dem geförderten
pulverisierten Füllmaterial
in und um den Plasma-Lichtbogen erfordert. Bei geringen Volumenraten
kann das mit übertrieben
hoher Geschwindigkeit fließende
Trägergas keine
Abschirmungsumhüllung
um den Plasma-Lichtbogen bilden und darüber hinaus wirft die hohe Geschwindigkeit
der Füllmaterialpartikel
diese leicht von dem beabsichtigten Auftreffplatz weg. Gemäß der Erfindung
wird die Verzögerung
der Trägergas/Füllmaterialmischung
verwirklicht durch Aufteilung der Fließrichtung der Mischung und
Erhöhung des
Querschnitts der Fließkanäle an den
Verteilungspunkten des Mischungsflusses. Die Trägergas/Füllmaterialmischung erreicht
den Düsen-Spitzenteil des Schweißbrenners
entlang von Zuführungskanälen 6 und
wird sodann in die Leitungsverzweigungen 7 aufgeteilt,
wodurch der Fluß seitlich
abgezweigt wird und gleichzeitig auf einen zweifachen Gesamt-Querschnittsabschnitt
der Fließkanäle trifft.
Der Fluß wird verteilt
und ein zweites Mal aufgeteilt, wenn er von den ersten Verzweigungen 7 zu
den zweiten Verzweigungen 8, 9 fortschreitet.
An dieser Stelle ist ein ausreichendes Maß der Gasflußverzögerung erzielt
worden.
-
Der
verzögerte
Fluß muß als nächstes laminar
gemacht werden, um einen sanften Fluß des Schutzgases und des Füllmaterials
in den Plasma-Lichtbogen zu erzielen. Dies wird erreicht durch Führung des
Flusses von den zweiten Verzweigungen 8, 9 in
einen ringförmigen
angrenzenden Raum, von dem er in einen Laminarhaltungsteil der Düse fortschreitet,
in welchem Nuten 11 und Erhebungen 12, die zu
der Spitze des Schweißbrenners
gerichtet sind, die Laminarhaltung des Flußprofils bewirken. Schließlich konvergiert
der Fluß gegen
den Arbeitspunkt mit Hilfe des Spitzenteiles 13 des lösbaren Hülsenteiles 5.
-
Die 6 bis 10 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform
sind das Schutzgas und das Füllmaterial
voneinander auf der Höhe
des Ringraumes 10 getrennt. Eine solche Ausführungsform
ist geeignet für
die Spray-Beschichtung
und ähnliche
Schweißanwendungen,
bei denen der Bereich des Schmelzpunktes groß ist und das Schutzgas geführt werden muß, um den
großen
Bereich zu schützen.
Die Trennung des Schutzgases von dem Gasfluß wird verwirklicht durch Versehen
des lösbaren
Hülsenteiles mit
Löchern 17,
die durch einen Mikro-Gitterschirm abgedeckt
sind. Die Porengröße des Mikro-Gitterschirms liegt
typischerweise in der Größenordnung von
20 μm. Offensichtlich
kann die Gittergröße verändert werden
und liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 25 μm, während aufgrund des Spitzenauftreffwinkels
der Füllmaterialpartikel
auf den Schirm ein Gitter mit bis zu 50 μm noch eine nahezu vollständige Trennung
der Füllmaterialpartikel
von dem Förderfluß des Schutzgases
bewirken können.
Der Hülsenabschnitt
ist auf der Höhe
der Löcher 17 in
eine Innenhülse 16,
die als Laminarhaltung-Düsenumhüllung in
der gleichen Weise wirkt wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform
und in eine glockenförmige
Schürze 15 unterteilt,
die die Innenhülse
umgibt. Wenn die Schutzgas/Füllmaterialmischung
in den Ringraum 10 eintritt, so diffundiert das Schutzgas über die
Löcher,
die durch den Gitterschirm abgedeckt sind, in den Raum, der durch
die Innenhülse 16 und
die Schürze 15 begrenzt
ist, wobei die Schürze 15 das
Schutzgas leitet, um den Schmelzfleck zu umgeben. Das Füllmaterial
selbst wird über
den Laminarhaltungsteil der Düse
zu dem Plasma-Lichtbogen
geleitet. In anderer Hinsicht ist diese Ausführungform von derjenigen, wie
sie in den 1 bis 5 gezeigt ist, nicht verschieden.
-
In
allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen
kann das Zuführ-Kanal-Leitungssystem
für die
Zuführung
des Füllmaterials
alleine verwendet werden. Es liegt auf der Hand, daß in solchen
Anwendungsfällen
der Schweißbrenner
mit getrennten Kanälen
für das
Gas versehen sein muß.
Ferner können
das Füllmaterial
und das Schutzgas zu dem Schweißbrenner über unterschiedliche
Leitungen gebracht werden und sodann zuerst in dem Schweißbrenner
gemischt werden.