DE8309808U1

DE8309808U1 - Mikroplasmabrenner, insbesondere Mikroplasma-Schweißbrenner

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Publication number: DE8309808U1
Application number: DE8309808U
Authority: DE
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1983-04-02
Filing date: 1983-04-02
Publication date: 1984-03-15

Description

G 63 O9 808.9 It

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-7-sr/si

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 25.3.1983

Mikroplasmabrenner, insbesondere Mikroplasma-Schweißbrenner

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikroplasmabrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Z.B. im Gasturbinentriebwerksbau, wie aber auch in ande? weitigen, beispielsweise feinwerkstechnischen Bereichen wird der Einsatz von bekannten Brennern der eingangs

genannten Gattung durch die Art und Ausbildung der vor-20

gegebenen Maschinenkomponenten stark behindert oder nahezu unmöglich gemacht.

Sollen beispielsweise bei einer Strömungsmaschine,

_oc insbesondere bei einem Gasturbinentriebwerk, in einem 2b

verhältnismäßig geringen radialen Abstand sowie im wesentlichen parallel zueinander verlaufend, an einem gemeinsamen Rotor- oder Statorteil befindliche Labyrinthdichtspitzen durch Auftragsschweißen nachgebessert gg 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.

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Durch 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 kostenungünstigen Montagearbeiten.

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

Ein weiterer wesentlicher Nachteil bekannter Lichtbogen-Schweißbrenner 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. _

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Rahmen der eingangs umrissenen Problematik zu Bekanntem vorgetragenen Nachteile zu beseitigen und einen Plasmagasbrenner zu schaffen, der einschließlich des zugehörigen Brennergrundkörpers bei äußerst gedrungenem und vergleichsweise einfachem und umkompliziertem Aufbau, insbesondere mit Rücksicht auf eng und schwierig gestaltete Schweißgutzugänglichkeiten, optimale Schweifiqualitäten zeitigt.

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

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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 19.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung nachfolgend beispielsweise weiter erläutert;

es zeigen:

Fig. 1 den Mittellängsschnitt des Brenner-

IQ kopfes einschließlich einer zugehörigen

Grundkörpersektion,

Fig. 2 eine Seitenansicht des kompletten Brenners nebst Grundkörper,

Fig. 3 eine Ansicht des kompletten Brenners nebst Grundkörper gemäß Blickrichtung Z der Fig. 2,

Fig. 4 eine teilweise die seitliche Ansicht

sowie aufgebrochene Mittellängsschnittpartien erläuternde Darstellung der auch Brennkopfbestandteile einschließenden Brenneigrundkörpers, hier ohne äußere Keramik- bzw. Hartpreßstoff-Abdeckplatten

sektionen und

Fig. 5 einen vorderen Abschnitt de Brennergrundkörpers gemäß Blickrichtung A der Fig. 4.

Einleitend zur Beispielsbeschreibung sei vermerkt, daß die Fig. 1, 4 und 5 eine fünffache Vergrößerung der tatsächlichen Brennerdimensionen nebst Grundkörper, hJ^sgen die Fig. 2 und 3 den Erfindungsgegenstand im Maßstab 1:1 erläutern.

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1 Gemäß Fig. 1 weist der Brennkopf 1 des Mikroplasmaschweiß-

f; brenners zur Erzeugung einer elektrischen Bogenentladung P; eine konisch zugespitzte Kathode 2 auf, die von einem als

f Anode gepolten, hülsenförmigen Düsenkörper 3 für die

f. 5 Plasmagaszufuhr mit Abstand rotationssymmetrisch ummantelt k wird. Mit einer zentralen Austrittsbohrung 4 (Entladungs-

^! strom - Gasbohrung) überkragt der Düsenkörper 3 die

Kathodenspitze austrittsseitig und läuft iia Bereich der Kathodenspitze sich trichterförmig verengend gegen die Austrittsbohrung 4 aus. Eine von der Plasmagaszuführung

getrennte, äußere, konzentrisch zum Düsenkörper Z ver-, laufende Scfcutzgasfuhrung kommuniziert mit einer düsenmundseitig benachbarten Schutzgasabströmöffnung 5.

Sämtliche genannten wesentlichen Brennerbauteile sind in den extrem flach bauenden, im rechten Winkel gegenüber dem zugehörigen Brenuergrundkörper (Teil 6) abgekröpften Brennerkopf 1 integriert, der zugleich

Bestandteil dieses Grundkörpers ist. 20

Teil 6 des Brennergrundkörpers ist mit einer parallel dazu /erlaufenden, oberen Keramikabdeckplatte 7 verknüpft, die nebst darin integrierter bzw. eingegossener Kathoden (Zünd-)-stromleitung 8 formschlüssig in die \ ²^ obere planparallele Brennerkopffläche übergeht.

In dem gesamten Brennergrundkörper 6, 9 - in Fig. 4 und 5 bezogen auf Grundkörperteil 6 dargestellt - sind voneinander getrennte, parallel nebeneinander verlaufende

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Rohre 10, 11 für die Plasma- und Schutzgaszufuhr in den Brennerkopf 1 sowie ein weiteres äußeres Kühlrohr 12 vorgesehen, das für die Hin- und Rückführung eines flüssigen Kühlmittels, z.B. Kühlwasser, zum bzw, vom Brennerkopf 1 in den letzteren halbkreissyminetriseh eingebettet ist.

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Die in dem Brennergrundkörper angeordneten Rohre 10,11,12 können vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt und durch Verlöten im Grundkörper festgelegt sein. Mittels der Keramikabdeckplatte 7 (Fig. 1), bzw. mittels einer unter Bezug auf den weiteren Teil 9 des Brennergrundkörpers weiteren Abdeckung 13 (Fig. 2) sind die Rohre leicht zugänglich, wenn die genannten Abdeckungen z.B. nach Lösen von Schraubverbindungen oder dergleichen vom Grundkörper entfernt werden.

Wie anhand von Fig. 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 bzw. Teil 6 des Brennergrundkörpers 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 der kopfseitigen Grundkörperpartie 6 eine stromauf der Schutzgasabströmöffnung liegende Siebkammer 15 bereit, die über eine Reihe gleichförmig in Brennerumfangsrichtung verteilter Bohrungen 16 (Fig. 4) und 5) der kopfseitigen Brennergrundkörperpart^.e mit einer vorgeschalteten Ringkammer 17 (Fig. 1) in Verbindung steht, die ihrerseits mit dem Schutzgaszufuhr- f rohr 11 in dem Brennergrundkörper 6,9 kommuniziert.

Gemäß Fig. 4 weist die kopfseitige Brennergrundkörper- ν

partie eine konzentrische Ausnehmung 18 zur Aufnahme )

eines Gastrenneinsatzes 19 (Fig. 1) auf, der die Schutz- f

gasringkammer 17 nach oben hin hermetisch verschließt und |

der ferner im Zusammenwirken mit dem oberen Endbereich des |

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Düsenkörpers 3 eine außen von dar Keramikabdeckplatte hermetisch verschlossene Zentrum- bzw. Plasmag^skammer einschließt; die sowohl mit dem Plasimagaszufuhrrohr 10 im Brennergrundkörper 6,9 als auch mit der düsenseitigen Plasmagasführung in Verbindung steht.

Wie ferner insbesondere aus Fig. 1 entnehmbar, befindet sich zwischen dem anodisch gepolten Düsenkörper 3 und der Kathode 2 ein keramischer elektrisch - isolierender

IQ Einsatz 21, in dem auf der einen Seite die Kathode 2 konzentrisch geführt ist und der auf der anderen Seite gegenüber dem Düsenkörper 3 eine vorzugsweise konzentrische Plasmagasdurchtrittspassage beläßt, die in einen hinsichtlich des Durchströmquerschnitts erweiterten Ringraum 22 zwischen Kathode 2 und Düsenkörper 3 auf der einen Seite und der unteren Endwand des Keramikeinsatzes 21 auf der anderen Seite - übergeht.

Zu Gunsten der Bauteil-Eindringtiefe des Brenners beim

der

Schweißen ist das brennerkopfseitige Ende/Keramikabdeckplatte 7 (Fig. 1) - unter Bezug auf die Brennermittelachse - von oben außen nach innen unten abgeschrägt ausgebildet.

In die zuvor schon erwähnte weitere obere Abdeckung 13 des weiteren Teils 9 (Fig. 2) des Brennergrundkörpers ist die zuvor mit der Keramikabdeckplatte 7 verknüpfte Kathodenstromleitung isolierend eingebettet, wobei diese weitere Abdeckung 13 vorzugsweise aus Kunststoff im Sinne eines Hartschicht-Preßwerkstoffes gefertigt ist, was sich u.a. günstig auf ein vergleichsweise geringes Eigengewicht des Brenners auswirkt.

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Vorzugsweise weist Teil 9 der Brennerhalterung, dem die weitere Abdeckung 13 zugeordnet ist, einen von oben außen nach innen unten geneigten Verlauf auf, bei dem also 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 IQ trichterförmig erweitern.

Vorzugsweise sollen der Brennergrundkörper 6, 9 /der Gastrenneinsatz 19 sowie der Düsenkörper 3 aus einem hochwärme-leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, gefertigt sein, um neben der vor allen Dingen brennerseitigen Temperaturbeständigkeit sowie i.a. im Wege der Kühlmittelzirkulation zu einem optimalen Wärmeabtransport aus dem >Hochtemperaturbereich (Brennerkopf) in kühlere Zonen des Grundkörpers 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 das Kühlrohr 12 durchzusetzende Kühlmittel, z.B. Wasser,über einen Wärmetauscher im Betrieb fortlaufend heruntergekühlt wird.

Der Brennergrundkörper 6, 9 soll werkstückgemäß anodisch gepolt sein.

Ferner soll der Auftragsschweißvorgang im Wege einer gesonderten Schweißdrahtführung erfolgen, die im übrigen aber auch alternativ in den Brennergrundkörper integriert sein kann.

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Gemäß Fig. 5 weist der Brennergrundkörper (Teil 6) auf der von der von der äußeren abgerundeten Brennerkopf stirnfläche abgewandten Seite kegelförmig aufaeweitete 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.

Bezüglich der Gattung des Patentanspruchs 1 geht die Erfindung im übrigen von einem z.B. aus der DE-OS 32 02 bekannten Stand der Technik aus.
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Claims

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Schutzansprüche

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1. Mikroplasmabrenner, insbesondere - Schweißbrenner, der zur Erzeugung einer elektrischen Bogenentladung eine konisch zugespitzte Kathode aufweist, die von einem als Anode gepolten, hülsenförmigen Düsenkörper fir die Plasmagaszufuhr mit Abstand rotationssyinmetrisch ummantelt w<rd, der mit einer zentralen Austrittsbohrung (Entladungsstrom - Gasbohrung) die Kathodenspitze austrittsseitig überkragt, und der im Bereich der Kathodenspitze sich trichterförmig verengend gegen die Austrittsbohrung ausläuft, wobei eine von dar Plasmagaszuführung getrennte, äußere, konzentrisch zum Düsenkörper verlaufende Schutzgaszuführung in eine düsenmundseitig benachbarte Schutzgasabströmöffnung übergeht und wobei ferner eine brennerkopfseitige Kühlmittelleitung vorgesehen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Sämtliche genanntenwasentlichen Brennerbauteile sind in einen flach bauenden, im rechten Winkel gegenüber dem zugehörigen Grundkörper (Teil 6) abgekröpften Brennerkopf (1) integriert, der zugleich Bestandteil diese.- Grundkörpers ist;

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b) der Grundkörper (Teil 6) ist mit einer parallel dazu verlaufenden, oberen Keramikabdeckplatte (7) verknüpft, die nebst darin integrierter Kathoden (Zünd-)-stromleitung (8) formschlüssig in die obere planparallele Brennerkopffläche

übergeht;

c) in dem Grundkörper (6,9) sind voneinander

getrennte, parallel nebeneinander verlaufende Rohre (10,11) für die Plasma- und Schutz

gaszufuhr in den Brennerkopf (1) sowie ein weiteres äußeres Rohr (12) vorgesehen, das für die Hin- und Rückführung eines flüssigen Kühlmittels zum bzw. vom Brennerkopf (1) in den letzteren halbkreissymmetrisch eingebettet ist,

wobei die Rohre vorzugsweise in den Grundkörper eingelötet sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Düsenkörper (3) gesonderte, die Schutzgas-

" abströmöffnung (5) bereitstellende Hülse (14) in einer gegenüber der Düsenmundebene axial eingezogenen Ebene sowie achssymmetrisch zum Düsenkörper (3) am kopfseitigen Ende des Brennergrundkörpers (Teil 6) befestigt ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) in an sich bekannter Weise als Schutzgassiebträger ausgebildet ist.

4. Brenner nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) zusammen mit angrenzenden Partien des Düsenkörpers (3) und des Grundkörpers (Teil 6) eine

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stromauf der Schutzgasaustrittsöffnung (5) liegende Siebkammer (15) bereitstellt, die über eine Reihe gleichförmig in Brennerumfangsrichtung verteilter Bohrungen (16) der kopfseitigen Brennergrundkörperpartie mit einer vorgeschalteten Ringkammer (17) in Verbindung steht, die ihrerseits mit dem Schutzgaszufuhrrohr (11) in dem Brennergrundkörper (6,9) kommuniziert.

5. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kopfseitige Grundkörperpartie mit einer konzentrischen Ausnehmung (18) zur Aufnahme eines Gastrenneinsatzes (19) versehen ist, der die Schutzgasringkammer (17) nach oben hin hermetisch verschließt und der im Zusammenwirken mit dem oberen Endbereich des Düsenkörpers (3) eine außen von der Keramikabdeckplatte (7) hermetisch verschlossene Plasmagaskammer (20) einschließt, die sowohl mit dem Plasmagaszufuhrrohr (10) im Brenner (6, 9) als auch mit düsenseitigen Plasmagasführung in Verbindung steht.

6. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem anodisch gepolten Düsenkörper (3) und der Kathode (2) ein keramischer elektrisch - isolierender Einsatz (21) angeordnet ist, in welchem auf der einen Seite die Kathode (2) konzentrisch geführt ist und der auf der anderen Seite gegenüber dem Düsenkörper (3) eine vorzugsweise konzentrische Plasmagasdurchtrittspassage beläßt, die"

^ow in einen hinsichtlich des Durchströmquerschnitts erweiterten Ringraum (22) - zwischen Kathode (2) und Düsenkörper (3) auf der einen Seite und der unteren Endwand des Keramikeinsatzes (21) auf der anderen

Seite - übergeht.
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7. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das brennerkopfseitige Ende der Ksramikabdeckplatte (7) - unter Bezug auf die Brennermittelachse - von oben nach innen unten abgeschrägt ist.

8. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet-, daß in eine weitere obere Abdeckung (13) des Brennergrundkörpers (Teil 9) die Kathodenstromleitung isolierend eingebettet ist, wobei diese weitere Abdeckung (13) vorzugsweise aus Kunststoff im Sinne eines Hartschicht-Preßwerkstoffes gefertigt ist.

9. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des Brennergrundkörpers (Teil 9), dem die weitere Abdeckung (13) zugeordnet ist, von oben außen nach innen unten geneigt in den düsenmundseitig planparallel verlaufenden Teil

²^ (6) des Brennergrundkörpers übergeht. _

10. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennergrundkörper

(6, 9), der Gastrenneinsatz (19) sowie der Düsenkörper ²^ (3) aus einem hoch-wärme-leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, gefertigt sind.

11. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, da«3 der hülsenförmige Siebtrag-

körper (14) aus Aluminium gefertigt ist.

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12. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ςτekennzeichnet, daß das die Kühlflüssigkeit führende Rohr (12) mit einem Wärmetauscher in Verbindung steht - wie an sich bekannt.

13. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennergrundkörper (6, 9) werkstückgemäß anodisch gepolt ist.

14. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftragsschweiß-

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Vorgang - wie an sich bekannt - im Wege einer gesonderten Schweißdrahtführung erfolgt.

15. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißdrahtführung in den Brennergrundkörper integriert ist.

16. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 b.⁴.s

15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (10, 11, 12) _aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt sind.

17. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen (7, 13) z.B. mittels Schraubverbindungen vom Brenner-

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grundkörper (6, 9) leicht lösbar sind.

18. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

17, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennergrundkörper (Teil 6) auf der von der äußeren abgerundeten Brenner-

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I kopfstirnfläche abgewandten Seite über kegelförmig aufgeweitete Seitenflächen (25, 26) erweitert ausgebildet ist.

519. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Brennergrundkörper ein einheitlich gerades, gestrecktes Bauteil ist.

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