EP0008701A1 - Brenner zum Mikroplasmaschweissen - Google Patents

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EP0008701A1
EP0008701A1 EP79102914A EP79102914A EP0008701A1 EP 0008701 A1 EP0008701 A1 EP 0008701A1 EP 79102914 A EP79102914 A EP 79102914A EP 79102914 A EP79102914 A EP 79102914A EP 0008701 A1 EP0008701 A1 EP 0008701A1
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    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the invention relates to a torch for micro plasma welding, with a hollow cylindrical torch housing, an electrode holder mounted insulated in the torch housing, a plasma nozzle with a cooling chamber, a protective gas nozzle arranged concentrically around the plasma nozzle, and burner connections and lines for plasma gas, protective gas and welding current, as well as pipelines and channels for the supply and discharge of a coolant to the plasma nozzle.
  • a micro plasma torch of this type has become known from DE-PS 18 06 858.
  • the pin-shaped electrode is relatively thin.
  • the pin diameter of the electrode is usually 1 mm.
  • the tip of the electrode protrudes into a funnel-shaped widening of the plasma channel of the plasma nozzle.
  • the funnel-shaped expansion is provided here for gas dynamic reasons.
  • micro plasma torches of this type are not suitable for use in series production, since on the one hand they cannot achieve stable focusing of the arc plasma and on the other hand they are subject to very high wear.
  • the unstable focusing of the plasma is caused by the flickering of the pilot arc, since there is no defined focal spot.
  • the high wear is in turn due to the high electrode temperature.
  • the invention has for its object to provide a micro plasma torch of the smallest dimensions for the range of 0.1 - 20 ... 50 A, which also withstands the high continuous load in series production, delivers a constant energy output with stable focusing of the plasma and that Plasma ignites exactly.
  • This object is achieved in a torch for micro plasma welding of the type described in the introduction in that the plasma channel of the plasma nozzle has a raised ring edge directed towards the tip of the electrode at the point of entry of the plasma, and in that the electrode is dimensioned correspondingly strongly to enable increased heat dissipation and with is provided with its own cooling.
  • Electrode is immediately water-cooled and, due to the multiple cross-section of the rod electrode, optimum heat dissipation and thus cooling of the electrode is achieved. This considerably reduces the erosion of the electrode tip. This increases the load capacity and service life of the plasma nozzle and electrode many times over.
  • the burner preferably has a two-circuit cooling system, one cooling circuit being assigned to the ring nozzle and the other cooling circuit to the electrode.
  • the division of the cooling system into two separate cooling circuits prevents unwanted electrical currents in the cooling water and thus the electrolytic destruction of the burner.
  • the burner can also be operated with a relatively high pilot current of around 10A instead of the usual 2A.
  • the relatively high pilot current results in a much better thermal ionization for the plasma, which prevents misfires.
  • the burner has a diffusion-tight plasma gas feed line.
  • the plasma gas is preferably fed to the burner through a diffusion-tight corrugated metal tube. It has been shown that the previously used plastic or rubber hose does not fully meet this requirement.
  • the diffusion of oxygen from the atmosphere into the plasma gas (argon) due to the partial pressure differences has previously greatly accelerated the oxidation and erosion of the electrode (tungsten). The consequences were an early inability to ignite the electrode and, most of the time, the focus disturbance of the plasma beam.
  • FIG. 1 designates a hollow cylindrical burner housing, into which an insulating sleeve 2 provided with an external thread is screwed. With the help of screws 3, an annular burner part 4 is fastened and sealed with the help of an O-ring 5. With the aid of a protective gas nozzle 6 designed as a union nut, an annular plasma nozzle 7 is pressed against the burner part 4 and sealed against the nozzle chamber 9 with the aid of an O-ring 8.
  • the plasma channel 10 of the plasma nozzle 7 has, at the entry point of the plasma, an elevated ring edge 13 directed towards the tip 11 of an electrode 12, which preferably has the shape of a truncated cone.
  • the tip 11 of the electrode 12 is closer to the ring edge 13 than the vicinity of the nozzle chamber 9, so that there is a defined focal spot which reliably prevents the pilot arc from flickering.
  • the electrode 12 is held in a bore in a receptacle 14 of an electrode holder by means of a conical metal ring 15 and a threaded bush 16 screwed into the receptacle 14.
  • the metal ring 15 and the corresponding conical bore in the receptacle 14 or the bore for the electrode 12 are so narrow tolerated that the metal ring 15 can lie sealingly against these surfaces under elastic deformation. This is important because the upper end of the electrode 12 is provided with cooling and the coolant must not penetrate into the nozzle chamber 9.
  • a coolant channel has been created by incorporating an annular groove 17 in the receptacle 14, which has horizontal bores 18 in the receptacle 14 and in the insulating sleeve 2 as well as connections 19 and 20 in the axial direction for supplying and removing coolant in Connection is as shown in Figure 2.
  • a burner head 21 is provided with a threaded connector 22, which is screwed into a corresponding bore in the receptacle 14 and is sealed by O-rings 23 and 24 on the one hand against the receptacle 14 and on the other hand against the insulating bush 2.
  • the burner head 21 has bores 25 for supplying the plasma gas via channels 26 of the receptacle 14 to the nozzle chamber 9.
  • the supply of the plasma gas takes place via a fixed tube 27 which is screwed into the burner head 21 and which is connected via a connecting piece 28 to a diffusion-tight plasma gas feed line 29 stands.
  • a diffusion-tight corrugated metal tube is preferably used.
  • the protective gas nozzle 6 is supplied with the protective gas via a protective gas channel 30, which is connected on the one hand to the outside of the plasma nozzle 7 via bores 31 and on the other hand to a protective gas connection 33 via a bore 32.
  • the plasma nozzle 7 also has cooling.
  • a cooling chamber 34 is located near the plasma channel 10 Provided, which is connected to the coolant inlet and outlet via bores 35 in the plasma nozzle 7 and via corresponding bores in the annular burner part 4 and in the insulating bushing 2, provided with connecting pieces 36a and in the drawing coolant hoses (not shown).
  • the coolant circuit for the nozzle 7 is also sealed against the nozzle chamber 9 on the one hand and against the outside on the other by an O-ring 37.
  • an electrode 39 for the anodic connection of the plasma nozzle 7 to the pilot current source is provided in a bore in the insulating bush 2 and the annular burner part 4.
  • the supply takes place via an elastic bracket 40 which is connected at one end to the electrode 39 and at the other end via a connecting piece 41 to the positive pole of the pilot current source.
  • the negative pole of the pilot current source is connected to the electrode 12 in a manner known per se.
  • An elastic protective tube 43 is attached to the burner housing 1 with the aid of a union nut 42.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zum Mikroplasmaschweißen, der der hohen Dauerbelastung bei der Serienfertigung Stand zu halten in der Lage ist. Bei dem Brenner gemäß der Erfindung weist der Plasmakanal (10) der Plasmadüse an der Eintrittsstelle des Plasmas einen gegen die Spitze der Elektrode (12) gerichteten erhöhten Ringrand (13) auf. Ferner ist die Elektrode (12) zur Ermöglichung eines erhöhten Wärmeabtransportes entsprechend stark bemessen und mit einer eigenen Kühlung (17, 20) versehen. Schleißlich besitzt der Brenner eine diffusionsdichte Plasmagaszuleitung (29).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner zum MikroplasmaschweiBen, mit einem hohlzylindrischen Brennergehäuse, einer im Brennergehäuse isoliert gelagerten Elektrodenhalterung, einer Plasmadüse mit einer Kühlkammer, einer konzeatrisch um die Plasmadüse angeordneten Schutzgasdüse sowie Brenneranschlüsse und Leitungen für Plasmagas, Schutzgas und Schweißstrom und ferner Rohrleitungen und Kanäle für die Zu- und Abfuhr eines Kühimittels zur Plasmadüse.
  • Ein Mikroplasmabrenner dieser Art ist durch die DE-PS 18 06 858 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Brenner ist -wie üblich beim Mikroplasmaschweißen- die stiftförmige Elektrode relativ dünn. Üblicherweise beträgt der Stiftdurchmesser der Elektrode 1 mm. Die Elektrodenspitze ragt hierbei in eine trichterförmige Aufweitung des Plasmakanals der Plasmadüse. Die trichterförmige Aufweitung ist hierbei aus gasdynamischen Gründen vorgesehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Mikroplasmabrenner dieser Art für einen Einsatz in einer Serienfertigung nicht geeignet sind, da einerseits mit ihnen keine stabile Fokussierung des Lichtbogenplasmas erreichbar ist und andererseits sie einem sehr hohen Verschleiß unterliegen. Die unstabile Fokussierung des Plasmas wird durch das Flackern des Pilotlichtbogens hervorgerufen, da kein definierter Brennfleck vorhanden ist. Der hohe Verschleiß wiederum ist auf die hohe Elektrodentemperatur zurückzuführen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikroplasmabrenner kleinster Abmessungen für den Bereich von 0,1 - 20 ... 50 A zu schaffen, der auch der hohen Dauerbelastung bei der Serienfertigung Stand hält, eine konstante Energieabgabe bei stabiler Fokussierung des Plasmas liefert und das Plasma exakt zündet. Diese Aufgabe wird bei einem Brenner zum Mikroplasmaschweißen der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Plasmakanal der Plasmadüse an der Eintrittsstelle des Plasmas einen gegen die Spitze der Elektrode gerichteten erhöhten Ringrand aufweist, und daß die Elektrode zur Ermöglichung eines erhöhten Wärmeabtransportes entsprechend stark bemessen und mit einer eigenen Kühlung versehen ist.
  • Durch den gegen die Spitze der Elektrode gerichteten erhöhten Ringrand wird das Flackern des Pilotbogens verhindert, da nur ein definierter Brennfleck gegeben ist. Durch den nunmehr konstant brennenden Pilotlichtbogen sind ungünstige Beeinflussungen auf die Plasmasäule verhindert. Überraschenderweise haben sich durch diese neue Brennergeometrie keine Nachteile bezüglich der Gasdynamik ergeben.
  • Dadurch, daß nicht nur die Plasmadüse, sondern auch die Elektrode unmittelbar wassergekühlt ist und aufgrund des mehrfachen Querschnittes der Stabelektrode wird ein Optimum an Wärmeableitung und somit Kühlung der Elektrode erreicht. Dadurch wird die Erosion der Elektrodenspitze erheblich reduziert. Damit wird die Belastbarkeit und Standzeit der Plasmadüse und Elektrode um ein Vielfaches erhöht.
  • Vorzugsweise weist der Brenner ein Zweikreis-Kühlsystem auf, wobei der eine Kühlkreislauf der Ringdüse und der andere Kühlkreislauf der Elektrode zugeordnet ist. Die Aufteilung des Kühlsystems in zwei getrennte Kühlkreisläufe verhindert unerwünschte elektrische Ströme im Kühlwasser und somit die elektrolytische Zerstörung des Brenners. Durch diese Maßnahmen kann der Brenner auch mit einem relativ hohen Pilotstrom von etwa 10A betrieben werden, anstatt der üblichen 2A. Der relativ hohe Pilotstrom ergibt eine, um ein Vielfaches bessere thermische Ionisation für das Plasma, was Fehlzündungen ausschließt.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal besitzt der Brenner eine diffusionsdichte Plasmagaszuleitung. Vorzugsweise wird das Plasmagas durch ein diffusionsdichtes Metallwellrohr dem Brenner zugeführt. Es hat sich gezeigt, daß der bisher verwendete Kunststoff- oder Gummischlauch diese Forderung nicht voll erfüllt. Durch die Diffusion von Sauerstoff aus der Atmosphäre in das Plasmagas (Argon) aufgrund der Partialdruckunterschiede wurde bisher die Oxydation und Erosion der Elektrode (Wolfram) stark beschleunigt. Die Folgen waren eine frühzeitige Zündunfähigkeit der Elektrode und -meist vorher schon-Fokussionsstörungen des Plasmastrahls.
  • Anhand der Zeichnung, in der ein Ausftihrungsbeispiel dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 einen Schnitt durch einen Mikroplasmabrenner,
    • Figur 2 einen Teilschnitt durch den um 62° gedrehten Brenner gemäß Figur 1,
    • Figur 3 einen Teilschnitt durch den um 90o gedrehten Brenner und
    • Figur 4 einen teilweise geschnittenen Brenner mit Kontaktierung der Düse nach Figur 1.
  • Mit 1 ist ein hohlzylindrisches Brennergehäuse bezeichnet, in das eine mit Außengewinde versehene Isolierbüchse 2 eingeschraubt ist. Mit Hilfe von Schrauben 3 ist ein ringförmiges Brennerteil 4 befestigt und mit Hilfe eines 0-Ringes 5 abgedichtet. Mit Hilfe einer als Überwurfmutter ausgebildeten Schutzgasdüse 6 ist eine ringförmige Plasmadüse 7 gegen den Brennerteil 4 gedrückt und mit Hilfe eines 0-Ringes 8 gegen die Düsenkammer 9 abgedichtet. Der Plasmakanal 10 der Plasmadüse 7 weist an der Eintrittsstelle des Plasmas einen gegen die Spitze 11 einer Elektrode 12 gerichteten erhöhten Ringrand 13 auf, der vorzugsweise die Form eines Kegelstumpfes aufweist. Die Spitze 11 der Elektrode 12 ist dem Ringrand 13 näher benachbart als die Umgebung der Düsenkammer 9, so daß ein definierter Brennfleck gegeben ist, der ein Flackern des Pilotbogens mit Sicherheit verhindert.
  • Die Elektrode 12 ist in einer Bohrung einer Aufnahme 14 einer Elektrodenhalterung mit Hilfe eines konischen Metallringes 15 und einer in die Aufnahme 14 eingeschraubten Gewindebuchse 16 gehalten. Der Metallring 15 und die entsprechende konische Bohrung in der Aufnahme 14 bzw. die Bohrung für die Elektrode 12 sind so eng toleriert, daß sich der Metallring 15 unter elastischer Verformung dichtend gegen diese Flächen legen kann. Dies ist deshalb von Wichtigkeit, weil das obere Ende der Elektrode 12 mit einer Kühlung versehen ist und das Kühlmittel nicht in die Düsenkammer 9 eindringen darf.
  • Am oberen Ende der Elektrode 12 ist durch Einarbei tung einer Ringnut 17 in der Aufnahme 14 ein Kühlmittelkanal entstanden, der über horizontale Bohrungen 18 in der Aufnahme 14 und in der Isolierbüchse 2 sowie in Achsrichtung verlaufende Anschlüsse 19 und 20 zur Kühlmittelzu- und -abfuhr in Verbindung steht, wie Figur 2 zeigt.
  • Wie Figur 1 zeigt, ist ein Brennerkopf 21 mit einem Gewindestutzen 22 versehen, der in eine entsprechende Bohrung der Aufnahme 14 eingeschraubt und durch 0-Ringe 23 und 24 einerseits gegen die Aufnahme 14 und andererseits gegen die Isolierbuchse 2 abgedichtet ist. Der Brennerkopf 21 besitzt Bohrungen 25 zur Zuführung des Plasmagases über Kanäle 26 der Aufnahme 14 zur Düsenkammer 9. Die Zuführung des Plasmagases erfolgt über ein feststehendes Rohr 27, das im Brennerkopf 21 eingeschraubt ist und welches über ein Yerbindungsstück 28 mit einer diffusionsdichten Plasmagaszuleitung 29 in Verbindung steht. Vorzugsweise wird ein diffusionsdichtes Metallwellrohr verwendet.
  • Der Schutzgasdüse 6 wird das Schutzgas über einen Schutzgaskanal 30 zugeführt, der einerseits über Bohrungen 31 mit der Außenseite der Plasmadüse 7 und andererseits über eine Bohrung 32 mit einem SchutzgasanschluB 33 in Verbindung steht.
  • Wie Figur 3 zeigt, besitzt auch die Plasmadüse 7 eine Kühlung. Nahe dem Plasmakanal 10 ist eine Kühlkammer 34 vorgesehen, welche über Bohrungen 35 in der Plasmadüse 7 und über in entsprechende Bohrungen im ringförmigen Brennerteil 4 und in der Isolierbuchse 2 eingesetzte, mit Anschlußstutzen 36a versehene Röhrchen 36 sowie in der Zeichnung nicht dargestellten Kühlmittelschläuchen mit dem Kühlmittelzu- und -ablauf in Verbindung steht. Durch einen O-Ring 37 ist auch der kühlmittelkreislauf für die Düse 7 gegen die Düsenkammer 9 einerseits und gegen außen andererseits abgedichtet.
  • Wie Figur 4 zeigt, ist in einer Bohrung der Isolierbuchse 2 und des ringförmigen Brennerteils 4 eine Elektrode 39 für die anodische Verbindung der Plasmadüse 7 mit der Pilotstromquelle vorgesehen. Die Zufuhr erfolgt über einen elastischen Bügel 40, der mit einem Ende mit der Elektrode 39 und mit dem anderen Ende über ein Anschlußstück 41 mit dem positiven Pol der Pilotstromquelle in Verbindung steht. Der negative Pol der Pilotstromquelle steht in an sich bekannter Weise mit- der Elektrode 12 in Verbindung.
  • An dem Brennergehäuse 1 ist mit Hilfe einer Überwurfmutter 42 ein elastisches Schutzrohr 43 angebracht.

Claims (9)

1. Brenner zum Mikroplasmaschweißen, mit einem hohlzylindrischen Brennergehäuse, einer im Brennergehäuse isoliert gelagerten Elektrodenhalterung, einer Plasmadüse mit einer Kühlkammer, einer konzentrisch um die Plasmadüse angeordneten Schutzgasdüse sowie Brenneranschlüsse und Leitungen für Plasmagas, Schutzgas und Schweißstrom und ferner Rohrleitungen und Kanäle für die Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels zur Plasmadüse, dadurch gekennzeichnet , daß der Plasmakanal (10) der Plasmadüse (7) an der Eintrittsstelle des Plasmas einen gegen die Spitze (11) der Elektrode (12) gerichteten erhöhten Ringrand (13) aufweist, und daß die Elektrode (12) zur Ermöglichung eines erhöhten Wärmeabtransportes entsprechend stark bemessen und mit einer eigenen Kühlung versehen ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringrand (13) die Form eines . gegen die Elektrode (12) gerichteten Kegelstumpfes aufweist.
3. Brennr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (12) von einem Kühlmittel unmittelbar umströmt ist.
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende einer-Aufnahme (14) für die Elektrodenhalterung ein das obere Ende der Elektrode (12) umgebender Ringkanal (17) vorgesehen ist, welcher vorzugsweise über radial angeordnete Kanäle (18) mit in Achsrichtung in der Isolierbüchse (2) eingeschraubten Anschlüssen (19, 20) für die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels in Verbindung steht.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß er ein Zweikreis-Kühlsystem aufweist, wobei der eine Kühlkreislauf der Plasmadüse (7) und der andere Kühlkreislauf der Elektrode (12) zugeordnet ist.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Elektrodenhalterung ein eng tolerierter konischer nicht geschlitzter Metallring (15) verwendet ist, der mit Hilfe einer Gewindebüchse (16) einerseits gegen eine entsprechende konische Bohrimg der Aufnahme (14) der Elektrodenhalterung und andererseits gegen die Elektrode (12) dichtend gedrückt ist.
7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallring (15) ein Bronzering verwendet ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß er eine diffusionsdichte Plasmagas-Zuleitung (29) aufweist.
9. Brenner nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Metallwellrohres.
EP79102914A 1978-09-11 1979-08-10 Brenner zum Mikroplasmaschweissen Expired EP0008701B1 (de)

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