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Schweißbrenner zum elektrischen Lichtbogenschweißen von Metallen Die
Erfindung betrifft einen Brenner zum elektrischen Lichtbogenschweißen von Metallen,
insbesondere zum Schweißen von schwer schmelzbaren Metallen, wie :hIagnesium, Aluminium,
rostfreiem Stahl sowie Speziallegierungen und Bronzen. Der Lichtbogen und die geschmolzenen
Teile des Werkstückes werden von einem nicht oxydl>ildenden Gas eingehüllt, das
ein chemisch träges einatomiges Edelgas wie Helium oder Argon enthält. Der Bogen
brennt durch das Schutzgas hindurch zwischen dem Werkstück und einer Elektrode aus
schwer schmelzbarem Metall, die vorzugsweise aus einem im wesentlichen sich nicht
abnutzenden Stoff wie Wolfram oder Molybdän besteht.
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Solche Vorgänge sind gewissen Eigenschaften des Lichtbogens unterworfen,
seiner Instabilität, seinem Wandern und seinem Schlagen, d. h., der Bogen ist unruhig,
neigt zur Wanderung über die Kuppe der Elektrode von einer heißen Stelle zur anderen
oder zum Ausgehen. Diese Erscheinungen sind sehr störend, denn sie führen bei ihrem
Vorkommen zu unregelmäßigen, unsymmetrischen, schwachen und. uneinheitlichen Schweißraupen
mit schwarzem oder schmutzigem Aussehen an der Oberfläche.
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Hohe Stromdichte konnte nicht angewendet werden, nur dünne Platten
konnten geschweißt werden, die Schweißgeschwindigkeit war niedrig und der Elektrodenverbrauch
hoch. Der Abstand zwischen der Düse oder der Gashaube und dem Werkstück mußte so
klein gehalten werden, daß es für den Schweißer schwierig war, seine Arbeit zu sehen.
Die Schweißurig war grundsätzlich schwierig und gab keine gleichmäßigen Ergebnisse.
Beim
Schweißen mit Wechselstrom -wurden einige dieser Schwierigkeiten der Gleichrichterwirkung
zugeschrieben, die den Strom umgekehrter Richtung irr der Halbwelle mit positiver
Elektrode teilweise oder ganz unterdrückte. Zur Bekämpfung dieser Betriebsbedingung
sind die Aufbringung emittierender Beläge und eine Beeinflussung des Polaritätswechsels,
einzeln oder gleichzeitig anwendbar, vorgeschlagen worden. Die Benutzung emittierender
Beläge erforderte das Bespritzen oder Bemalen der Werkstücksoberfläche mit Stoffen
wie Barium- oder Strontiumkarbonat zur Erhöhung der elektronenemittierenden Fähigkeit
der Werkstücksoberfläche. Die Beeinflussung des Polaritätswechsels bestand in der
Anwendung einer Sammlerbatterie in. Reihe mit dem gewöhnlichen Wechselstromschweißstromkreis
zur Steuerung der Spannungen der beiden Halbwellen. Die Batteriespannung konnte
die Spannung der ehren Halbwelle erhöhen und die der anderen erniedrigen, und das
um jeden beliebigem Betrag, so daß eine Beeinflussung der Halbwellen möglich war.
Jedes dieser Verfahren erforderte jedoch besondere Hilfsmittel oder besondere Vorbereitungen
und Arbeitstechniken.
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Zweck der Erfindung ist daher, beim Lichtbogenschweißen: mit Schutzgashülle
einen ruhigen stabilen Bogen zu erzielen, der eine gleichmäßige Schweißraupe von
sauberer Oberflächenbeschaffenheit und eine starke" fehlerfreie Schweißung ergibt,
ohne besondere Hilfsmittel oder Vorbereitungen der oben beschriebenen Art zu erfordern,
weiter die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen und die Schweißüng dickerer Platten
zu gestatten.
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Gemäß der Erfindung beträgt bei einem SchweißbTenn,er z.umi elektrischen
Lichtbogensohweißen. mit Lichtbogenbildung zwischen einer schwer schmelzbaren Metallelektrode
und Werkstück und Schutzgashülle für Lichtbogen und Schweißzone mittels eines inerten
einatomigen Schutzgases, wie z. B. Helium oder Argon, der Durchmesser des die Schutzgashülle
erzeugenden Schutzgasstrornes das 2,3- bis 4fache des Durchmessers der Elektrode
und die Länge des Schutzgasstromes innerhalb des Brenners das 4- bis 8fache des
Durchmessers des Schutzgasstro:mes, und weist ferner die Schweißstroms:tärke einen
Wert zwischen 6o bis rooo Amp. bei entsprechendem Elektrodendurchmesser von 1,5
bis 9,5 mm auf.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen genauer beschrieben.
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Fig. i isst ein senkrechter Schnitt durch einen Lichtbogenschweißbrenner
mit Schutzgashülle, der in den gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlichen Maßen
gebaut ist; Fig.2 ist eine entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform
des Brenners.
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Im Gegensatz zu früheren Hilfsmitteln der Lichtbogenstabilisie.rung
ist ein weit einfacheres Verfahren entdeckt worden, das auf der Anwendung einer
großen elektrischen Stromdichte in Verbindung mit einer lam:inaren, nicht turbulenten
Strömung des Schutz:gasstromes und auf einer Vergrößerung der frei tragenden Länge
der Elektrode in dem Gasstrom beruht. Bei dieser hohen Stromdichte beträgt im Falle
von Wechselstrom die Stromstärke 6o bis i2o Ampere für Elektroden von 1,58 mm Durchmesser
und bis zu über 75o Ampere. für Elektroden von 9,5 mm Durchmesser. Die laminare,
nicht turbulente Strömung des Schutzgases wird. durch die Anwendung einer Düse oder
Gashaube erreicht, die eine im wesentlichen, zylindrische Wandung mit einem Innendurchmesser
vom 2,33- bis 4fachen des Ele'ktrodendurchmessers und einer Länge vom 4.- bis 8fachen
ihres eigenen Durchmessers hat. Die freie Elektrodenlänge liegt zwischen sechzehn
Durchmessern für eine Elektrode von 1,58 mm Durchmesser und sechs bis sieben Durchmessern.
für eine Elektrode von 9,5 mm Durchmesser.
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Die hohe Stromdichte führt zu einer frohen Temperatur der Elektrodenkuppe,
welche die Ionisierung des Schutzgases unterstützt und damit 'im Sinne einer Stabilisierung
des Lichtbogens. wirkt. Der gleichmäßige laminare Strom des Schutzgases verhindert
Turbulenz und Wirbel, welche die Stabilität des Lichtbogens stören würden. Die Länge
der Elektrode und die gleichmäßige lamin;are Schutzgasströmung verhindern eine Schädigung
der Elektrode, die sonst bei: der Verwendung solch hoher Stromdichten eintreten
könnte.
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Die angestrebten hohen Temperaturen bringen die Gefahr mit sich, daß
Teile des Brenners abschmelzen. Diese Gefahr ist am größten für die Düse oder Gashaube,
weil diese dem Lichtbogen am nächsten ist. Man arbeitet vorzugsweise bei der höchsten
Temperatur, die die Haube aushält. Wenn die Düse aus einem Werkstoff besteht, der
bei normalen Gebrauch nicht schmilzt, wird keine besondere Kühlungverwendet, und
wenn eine Metalldüse verwendet wird, reicht die Kühlung nur hin, um das Schmelzen
zu verhüten:, und sie wird so allgebracht, daß die Elektrodenkuppe und der Argonstrom
die höchstmögliche Temperatur annehmen können, die ohne ein Abschmelzen der Düse
mög lich ist. Die beste Betriebsbedingung kann man als beginnendes Oberflächenschmelzen
der Elektrodenkuppe bezeichnen. Dieser Zustand erfordert eine Schutzgashülle gegen
das Oxydieren, die durch die laminare Strömung in der langem Düse gebildet wird.
Die Wasserkühlung der Zange oder des Elektrodenhalters ist vorgesehen, um Raum zu
sparen und die Teile kleiner halten zu können zur bequemeren Handhabung.
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Fig. i zeigt einen Brenner T, der ein Metallrohr S zur Zufuhr des
elektrischen Schweißstromes an einen Elektrodenhalter I-I, der mit einer Zange G
die Elektrode E. hält, und zur Zufuhr eines chemisch trägen Gases durch die Öffnungen
K in das Innere der Düse N besitzt. Die Länge a ist der Durchmesser der Elektrode,
b das frei tragende Ende der Elektrode, c der Haubendurchmesser, d. h. Innendurchmesser
der Düsenöffnung, d die Düsenlänge, gemessen von den Öffnungen K zum unteren Ende
der Düse N. Bei dieser Ausführungsform besteht die Düse N aus keramischem: Stoff.
In
dem Brenner gemäß Fig. 2 sind der Elektrodenhalter H und die Düse
N beide wassergekühlt. Das Metallrohr =o steht mit dem Rohr S in Verbindung
und bildet einen ringförmigen Hohlraum des Elektrodenh.alters H, wodurch ein Wassermantel
12 gebildet wird, der mit dem Innern des Rohres S in Verbindung steht. Zugeführt
wird, das Wasser durch ein Rohr 1,4, und nach dem Durchfließen des Wassermantels
12 tritt es durch das Rohr S aus. Das Schutzgas wird dem Innern des Elektrodenhalters
H durch ein Rohr =5 zugeführt und tritt durch Schlitze K zwischen den Fingern =6
der Greifvorrichtung G in das Innere der Düse N.
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Die Düse N besteht aus rostfreiem Stahl und hat nahe ihrem oberen
Ende und der Greifvorrichtung G eine ringförmige Vertiefung, die durch ein Band
18 aus rostfreiem Stahl abgedeckt ist, so daß ein Wassermantel 2o entstanden ist.
Diesem wird das Kühlwasser durch ein Rohr 2:I zugeführt, und das heiße Wasser läuft
durch das Rohr 22 ab.
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Die folgende Tafel verzeichnet die passende Stromstärke für die verschiedenen
Elektrodengrößen, die beim Lichtbogenschweißen unter Schutzgashülle nach der vorliegenden
Erfindung mit Wechsel- und, mit Gleichstrom. verwendet werden. Bei der Verwendung
von Wechselstrom als Schweißstrom wird als Stromstärke diejenige. angegeben,, die
ein Dreheisenwechselstro-mamperemeter anzeigt, das bei verzerrter Wellenform möglichst
wenig fehlerhaft anzeigt, und die Frequenz kann 25, 5o oder 6o Hz oder einen anderen
Niederfrequen:zwert haben:
| Elektroden- Wechselstrom Gleichstrom |
| durchmesser a in Ampere richtiger Polarität |
| in mm in Ampere |
| 1,58 6o bis 12o =oo bis 15o |
| 2,50 =oo - 16o 150 - 300 |
| 3,16 150 - 240 250 - 500 |
| 4,77 250 - 300 500 - 1000 |
| 6,32 350 - 500 |
| 7,94 500 - 650 |
| 9,54 6oo - 750 |
Innerhalb der angegebenen Stromstärkegrenzen kann man unter einer Schutzhülle aus
einatomigem Gas durch Lichtbogenschweißung sowohl sehr dünne und schwer schweißbare
Werkstoffe wie auch solche von mittlerer Dicke verschmelzen.
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Unterhalb der Mindeststromstärke der jeweiligen Elektrode ist der
Lichtbogen beim Gleichstromschweißen; instabil mit örtlichen, auf der Elektrode
wandernden, heißen. Stellen, und das Elektrodenende ist nicht gleichmäßig von dem
Lichtbogen bedeckt. Bei Wechselstrombetrieb unterstützt dieser Betriebszustand die
Gleichrichterwirkung. Bei Gleichstromstärken innerhalb der oben angegebenen Grenzen
ist das Elektrodenende vollständig von= dem Lichtbogen bedeckt, und die Elektrode
isst stark erhitzt, aber nicht geschmolzen. Bei Wechse@lstromstärken innerhalb der
angegebenen Grenzen bedeckt der Lichtbogen das Elektrodenende, und es tritt keine
Gleichrichtung ein.
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Die gleichmäßige laminare Strömung des Schutzgases, die in Verbindung
mit den genannten hohen Stromdichten erforderlich ist, wird dadurch hergestellt,
daß die Länge der Düse oder Gashaube größer als bei früher üblichen Ausführungen
gewählt ist. Die Länge d der neuen Haube ist 6,3 bis ro,2 cm vom Gaseintritt in
die Düse bis zum Gasaustritt, wobei die genaue Zahl davon abhängt, ob es sich um
band- oder maschinengeführte Brenner handelt. Die längere Düse oder Gashaube erhöht
die Schutzwirkung an der glühenden Schweißstelle und deren; Umgebung dadurch, daß
das Schutzgas in laminarer Strömung aus der Düse austritt, wobei Turbulenz und Wirbel
vermieden werden, welche die Wirksamkeit der Schutzgashülle herabsetzen würden.
Die folgende Tafel gibt die grundlegenden Abmessungen der Düse an.
| Elektroden- Düsenlänge d Düsen- |
| durchmesser a in cm durchmesser c |
| in mm in mm |
| 158 5.o8 6,35 |
| 2,38 5,72 7,92 |
| 3,18 7,00 9,50 |
| 4.74 7,63 1585 |
| 6,35 7,63 19,1o |
| 7,92 =0,=O 22,20 |
| 9,50 iO,=o 22,20 |
Die vergrößerte freie Länge b der Elektrode liegt in einem Bereich von der Größenanordnung
von sechzehn Durchmessern für eine =,58-mm-Elektrode bis zu sechs bis sieben Durchmessern
für eine 9,5-mm-Elektrode, wobei die dazwischenliegenden Größen umgekehrt proportional
zu wählen sind. Bei dieser freien Länge ist die Gefahr der Erweichung oder des Abschmelzens
einer gegebenen Elektrode infolge der erhöhten Temperatur bei der größeren Stromstärke
durch besseren Gasschutz vermieden. Ströme bis 75o Ampere sind von einer g,5-mm-El,ektrode
ohne nachteilige Veränderung oder Verfärbung ertragen worden.
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Diese Verbindung der vergrößerten Düsenlänge und des vergrößerten
Düsendurchmessers bei gegebener Größe der Elektrode hat die Schweißmöglichkeiten
erheblich verbessert. Bei Wechselstromschweißung ist dadurch die Gleichrichterwirkun;g
und bei Gleichstromschweißung die Unruhe des Lichtbogens beseitigt worden. In beiden
Fällen zeigt die Schweißraupe die Eigenschaften einer angemessenen Schutzgaswirkung,
und sauberes Aussehen und höhere Schweißgeschwindigkeiten sind bei leichterer Bedienung
ermöglicht. Die Elektrodenspitze kann bis zu 2,5 cm von dem Werkstück entfernt werden,
ohne daß der Bogen abreißt, und dickere Platten als bisher können verschweißt werden.
Bei
richtiger Bemessung der Düse und der hohen Stromdichte können bessere Ergebnisse
der Schweißung als bei der Anwendung elektronenemittierender Beläge oder bzw. und
Beeinflussung der Polarität erzielt werden. Die obige Bedingung hoher Stromdichte
und längerer Elektrode gibt allerdings keine ganz ausgeglichene Wellenform, die
Welle zeigt immer noch ein Überwiegen der richtig gepolten Halbwelle. Bei der neuen
Form der Elektrode und Gasdüse wird die Temperatur des Schutzgases erhöht, und dieses
bildet daher einen stark ionisierten Weg für das Wiederzünden des Bogens, wenn bei
jedem Wechsel die Stromstärke durch Null geht.