EP0794696B1 - Plasmabrenner für das Plasma-Schutzgas-Lichtbogenschweissen mit einer nicht abschmelzenden wassergekühlten Elektrode - Google Patents

Plasmabrenner für das Plasma-Schutzgas-Lichtbogenschweissen mit einer nicht abschmelzenden wassergekühlten Elektrode Download PDF

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EP0794696B1
EP0794696B1 EP97101879A EP97101879A EP0794696B1 EP 0794696 B1 EP0794696 B1 EP 0794696B1 EP 97101879 A EP97101879 A EP 97101879A EP 97101879 A EP97101879 A EP 97101879A EP 0794696 B1 EP0794696 B1 EP 0794696B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
electrode
plasma torch
plasma
bore
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Anton Wallner
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Individual
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3442—Cathodes with inserted tip

Definitions

  • the invention relates to a plasma torch for the Plasma shielding gas arc welding with a non melting water-cooled electrode according to the generic term of the first claim.
  • DE 42 34 267 A1 describes a plasma torch head for one Plasma welding and cutting torch described the Cooling a device for distribution and forwarding of flowing fluid media, with two Feed channels radially into the center of the rear part of the burner extend. An opening extends down to a continuous central hole in the electrode holder. This cools the plasma gas directed. Furthermore, this solution has a heat sink on, which is optionally cooled with water or secondary gas can be.
  • Electrode An axial chamber in which there is a cooling tube is, which excretes dropwise water, which in the closed end of the electrode during operation Steam is converted. Through two cooling passages still compressed gas for cooling the electrode as well as the burner housing and the nozzle. Likewise a water-cooled electrode is described in DE 2927996 A1 shown. The electrode has a water-cooled one Housing and a water-cooled interior on, each with a separate water connection. The positive pole electrode should pass through the Water cooling a long service life even with currents ensure over 500 A.
  • Plasma welding of aluminum is achieved through dense, high melting, firmly adhering oxide layers on the Workpiece surface obstructed (plasma welding of Aluminum with electrode on positive pole; DVS notification 64/1981, Knoch, R .; Welz, W.)
  • a cooling pipe which surrounds the electrode and at its, from the Electrode tip distal end with an annulus in Connection is made with a radial breakthrough the coolant inlet is connected.
  • a cooling chamber is arranged and the coolant is from the electrode via a flow hole to the cooling chamber out of which there is a coolant return reaches the return hole.
  • the coolant will also not directly to the tip of the electrode, whereby only welding currents of 200A are possible are.
  • the object of the invention is to provide a plasma torch for the Plasma shielding gas arc welding with a non to develop a melting water-cooled electrode which has a simple construction and a high thermal load due to the positive pole the electrode and uniformly high currents in the Range of 500A the resulting heat quantities as quickly and safely as possible from the electrode and the To discharge the plasma nozzle.
  • the plasma torch for plasma shielding gas arc welding exhibits a non-melting water-cooled Electrode on the center of the plasma torch located.
  • the nozzle is in an upper part and a Subdivided the lower part of the nozzle, between which the electrical Separation an insulating spacer arranged is.
  • On the lower part of the nozzle there is a protective gas nozzle with a High-frequency connection, preferably axially displaceable attached.
  • the Coolant is drained through a radial bore Coolant supply to a cavity in the electrode led into which a cooling pipe opens.
  • the coolant flows past the tip of the electrode, cools it down and passes through the ring Cooling channel between the outer diameter of the cooling tube and inner diameter of the electrode is formed in a cavity through which the cooling pipe extends.
  • the coolant flow is made via a cavity Flow hole in the area of the lower part of the nozzle led in which the highest temperature stress occurs.
  • the coolant flows through the lower part of the nozzle an annular cooling chamber and from there via a Return hole for coolant return in the upper part of the nozzle.
  • the cylindrical Electrode top has a cavity from the bottom from a central hole in the upper part of the electrode extends.
  • the cooling pipe is in this hole attached to one end.
  • this centric bore to the outside a radial bore for the supply of the coolant.
  • In the cavity it will Lower electrode part fixed in such a way that an area of the cavity from which the Flow bore to the cooling chamber opens into the lower part of the nozzle.
  • the pilot hole is in a radial area and divided an axial area.
  • the axial area leads from the cavity through the upper part of the nozzle Isolating intermediate piece and the lower nozzle part in it Cooling chamber. Leading from the cavity in the upper electrode part the radial area over a breakthrough to one Chamber through the outer surface of the electrode top and through a recess in the upper part of the nozzle is formed up to the axial area.
  • the lower part of the electrode is in the plasma gas space a gas distributor and centering ring made of electrical conductive or insulating material in the lower part of the nozzle centered. Is the gas distributor and centering ring made? electrically conductive material is also a Place the insulating sleeve in the lower part of the nozzle.
  • the constriction nozzle is preferred for the plasma arc Separately designed and detachable in the lower part of the nozzle or permanently attached. To stabilize the plasma arc become circular around the central plasma hole the constriction nozzle around additional Holes arranged. These can be on the same or different circles. The number of Drilling can be varied as needed.
  • the shielding gas nozzle is at the top of the nozzle pointing end with the inside diameter on the outside diameter of the lower part of the nozzle. Then will a distribution chamber between the outer surface of the Lower part of the nozzle and inner surface of the protective gas nozzle formed, in which the protective gas from its connection in The upper part of the nozzle flows over the corresponding holes.
  • the Shielding gas nozzle preferably has annular ones Outlet holes for the distribution and outflow of the Shielding gas, in particular on a common Pitch circle and their number can be varied.
  • the electrode tip advantageously consists of high-purity electrolytic copper.
  • Can in the tip of the electrode an insert made of tungsten can also be arranged centrally.
  • the plasma torch according to the invention for plasma shielding gas arc welding according to Fig. 1 one Power connector 1, a connector for the plasma gas supply line 2, a connection for the protective gas supply line 3 and a connection for the coolant inlet 4 and Coolant return 5 on. There is also a high-frequency connection 6 provided.
  • a longitudinal section along the line B-B is shown in Fig. 2.
  • the nozzle is in one Subdivided upper nozzle part 7 and a lower nozzle part 8, between which one for electrical isolation Insulating intermediate piece 9 is arranged.
  • On the lower part of the nozzle 8 is a protective gas nozzle 10 with the high-frequency connection 6 preferably axially slidably attached.
  • Downtown is the non-melting water-cooled electrode arranged, which consists of an upper electrode part 12 and a Lower electrode part 13 exists.
  • the upper electrode part 12 and the lower electrode part 13 are detachable with one another connected. This allows the lower electrode part 13 to Wear can be easily replaced.
  • a cooling tube 14 is attached, which in the Cavity of the lower electrode part 13 approximately to Electrode tip 15 is sufficient.
  • Electrode tip 15 there is an insert 16 made of tungsten.
  • the Coolant is from the coolant inlet 4 through a radial passage 17, which opens into an annular space 18, and a radial one adjacent to the annular space 18 Passage 19 in the upper electrode part 12 to one therein arranged centric axial bore 20 out.
  • the cooling tube 14 is attached.
  • the Cooling tube 14 reaches the cooling liquid up to Electrode tip 15, cools it and flows in Cooling channel 21 between the cooling tube 14 and the interior of the Lower electrode part 13 to a cavity 22 in Electrode upper part 12 and through an opening 23 the upper electrode part 12. Breakthrough 23 the coolant flow closes to an annular one Cooling chamber 24 in the lower nozzle part 8.
  • the coolant flow consists of a radial bore 25 which towards an opening 22 in an annular space 26 expanded and an axial pilot hole V, which of the radial bore 25 in the nozzle upper part 7 through the Insulating intermediate piece 9 and lower nozzle part 8 in the therein located cooling chamber 24 leads.
  • the coolant flows through the annular cooling chamber 24 and from this via a return bore R to Coolant return 5 in the upper part of the nozzle 7.
  • a baffle plate S arranged to separate Forward and return is in the cooling chamber 24 between Flow bore V and return bore R .
  • the lower electrode part 13 is in the plasma gas space P through a gas distributor and Centering ring 27 made of electrically conductive or insulating material centered in the lower part of the nozzle.
  • electrically conductive material is also a Arrange insulating sleeve 28 in the lower nozzle part 8.
  • the constriction nozzle 29 for the plasma arc preferably formed separately as shown and in Lower nozzle part 8 releasably or permanently attached. to Stabilization of the plasma arc become circular around the central plasma hole 30 of the constriction nozzle 29 arranged around additional bores 31 (s. also Fig. 6). These can be the same or different Partial circles lie.
  • the number of holes 31 can be varied as required.
  • the shielding gas nozzle 10 lies on the upper part 7 of the nozzle pointing end with the inside diameter on the outside diameter of the lower nozzle part 8. Then will a distribution chamber 32 between the outer surface of the Lower nozzle part 8 and inner surface of the protective gas nozzle 10 formed, in which the protective gas from its connection 3rd flows in the nozzle upper part 7 via corresponding bores.
  • the protective gas nozzle 10 preferably has an annular shape arranged outlet holes 33 for distributing and Outflow of the protective gas, in particular on a common pitch circle and their number can be varied.
  • the insulating intermediate piece 9 is over a screw connection, not shown, with the Nozzle upper part 7 connected. Is on the intermediate insulating piece 9 the lower nozzle part 8 by means of a union nut 34 attached.
  • the upper electrode part 12 is detachable with the Electrode holder 35 connected to which the Power connector 1 is located.
  • the plasma torch continues to point a mounting bracket 36 for attachment to one Equipment carrier on by an insulating sleeve 37th is electrically separated from the upper nozzle part 7.
  • Fig. 3 the section C-C is gem.
  • Fig. 1 shown.
  • An axial bore L2 leads from the plasma gas connection 2 to Plasma gas space P between insulating sleeve 28 and cooling tube 13 and the return bore R leads to the coolant return 5.
  • the lower part of the nozzle is with the union nut 34 Insulated intermediate piece 9 attached.
  • the lower electrode part 13 is gem. Fig. 4 by a radially arranged clamping screw 38 releasably in the upper electrode part arranged.
  • Fig. 5 shows the gas distributor and centering ring 27, the the lower electrode part 13 is centered. At the same time a distribution of the plasma gas through the bores 27a achieved.
  • the constriction nozzle 29 (FIG. 6) is designed separately and has other holes in addition to the plasma holes bores 31 arranged in a ring thereon. It will preferably 3 to 6 holes 31 are provided.
  • the constricting nozzle is used to constrict the positive pole arc. Due to the special construction, the Arc are given a specific shape. Consequently is achieved that between the arc and plasma nozzle 29th the emerging plasma gas to the plasma nozzle 29 a Temperature reduction causes. This will reduce the service life the nozzle increases.
  • the bores 31 arranged in a ring serve as additional support for the plasma arc.
  • Fig. 7 shows the top view of the lower nozzle part the preliminary bore has an essentially cylindrical part V, the return hole R and the hole L3 for the Supply of the protective gas.
  • the holes V and R are separated from each other by a baffle plate S.
  • Fig. 7 is shown in Fig. 8.
  • the cooling chamber 24 is closed by a ring 11, which is preferably is attached by brazing.
  • the insulating intermediate piece 9 is shown again in FIGS. 9, 10 and 11. It has through holes V, R, L1 and L2 on.
  • the shielding gas nozzle 10 is shown in FIG. 12. At the top At the end, this has a bore 39. Through this hole 39 can the shielding gas nozzle with a clamping screw on Lower nozzle part 8 are axially slidably attached. On the threaded bore 40 becomes the high-frequency connection 6 appropriate. To ensure an even escape of the protective gas to ensure circular exit bores 33 introduced. Through these holes 33 can an annular protective gas curtain surrounds the plasma arc form. the whole welding process before protects the rest of the atmosphere. The adjustability of the Shielding gas nozzle 10 additionally increases the gas protection effect.
  • the type of cooling system with only one cooling circuit and the cooling channel in the electrode, which is pulled far down as well as the cooling chamber in the area of the plasma nozzle ensure safe heat dissipation of the resulting high amounts of heat. So that the service life of the Constriction nozzle 29 and the lower electrode part 13 be significantly increased.
  • the arcing is caused by a high frequency overlay (in the range of 5 kHz).
  • the The arc is ignited between the tip of the electrode 15 and the constriction nozzle 29 (plasma nozzle). On this is the shortest distance between these two components.
  • the high-frequency voltage connections are located on power connection 1 of the positive pole electrode (High frequency positive pole) and at the shielding gas nozzle 10 (high frequency mass).
  • the spark ignited by it is by the previously switched on plasma shielding gas blown out.
  • the welding voltage can thus be non-contact ignite.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner für das Plasma-Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit einer nicht abschmelzenden wassergekülten Elektrode nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Bei bekannten Schweißbrennern dieser Art besteht das schwer zu lösende Problem, beim Pluspolschweißen den Pluspol an der Elektrode sicher zu führen und die entstehenden großen Wärmemengen von der Pluspolektrode und der Plasmadüse wegzuführen. Es wurden dazu bereits zahlreiche Lösungen entwickelt, bei welchen die Wärmeableitung durch eine Gas- oder Wasserkühlung des Plasmabrenners erfolgt.
In DE 42 34 267 A1 wird ein Plasmabrennerkopf für einen Plasmaschweiß- und Schneidbrenner beschrieben, der zur Kühlung eine Einrichtung zum Verteilen und Weiterleiten von strömenden fluiden Medien aufweist, wobei sich zwei Zuführkanäle radial bis in das Zentrum des Brennerhinterteils erstrecken. Eine Öffnung erstreckt sich dabei bis in eine durchgehende Zentralbohrung des Elektrodenhalters. Durch diese wird zur Kühlung das Plasmagas geleitet. Weiterhin weist diese Lösung einen Kühlkörper auf, der wahlweise mit Wasser oder Sekundärgas gekühlt werden kann.
Ein weiterer Plasmabrenner und das Verfahren zu seiner Kühlung beschreibt DE 42 05 420 A1. Dabei weist die Elekrode eine Axialkammer auf, in der sich ein Kühlrohr befindet, welches tropfenweise Wasser ausscheidet, das im geschlossenen Ende der Elektrode während des Betriebes in Dampf umgewandelt wird. Durch zwei Kühldurchlässe wird weiterhin komprimiertes Gas zur Kühlung der Elektrode sowie des Brennergehäuses und der Düse eingesetzt. Ebenfalls eine wassergekühlte Elektrode wird in DE 2927996 A1 dargestellt. Dabei weist die Elektrode ein wassergekühltes Gehäuse und einen wassergekühlten Innenraum auf, die jeweils einen separaten Wasseranschluß haben. Die pluspolgeschaltete Elektrode soll durch die Wasserkühlung eine hohe Betriebsdauer auch bei Strömen über 500 A gewährleisten.
Nachteil aller beschriebenen Lösungen ist der relativ komplizierte konstruktive Aufbau. Es werden derzeitig jeweils separate Zuleitungen für das Kühlen der Elektrode und sowie der Düse eingesetzt.
Das Plasmaschweißen von Aluminium wird durch dichte, hochschmelzende, fest haftende Oxidschichten an der Werkstückoberfläche erschwehrt (Plasmaschweißen von Aluminium mit Elektrode am Pluspol; DVS Mitteilung 64/1981, Knoch, R.; Welz, W.)
Dazu durchgeführte Untersuchungen ergaben, daß bereits bei Schweißspannungen bis 40V durch die hohen thermischen Beanspruchungen ein großer Verschleiß zu verzeichnen ist. Die Kühlung eines Plasmabrenners mit nur einem Kühlkreislauf an die Elektrode und an die Plasmadüse wird in US-A-3 569 661 beschrieben. Dabei wird ein Kühlrohr, welches die Elektrode umgiebt und an seinem, von der Elektrodenspitze entfernten Ende mit einem Ringraum in Verbindung steht, der über einen radialen Durchbruch mit dem Kühlmittelzulauf verbunden ist. Im Düsenunterteil ist eine Kühlkammer angeordnet und das Kühlmittel wird von der Elektrode über eine Vorlaufbohrung zur Kühlkammer geführt, von welcher aus es über einen Kühlmittelrücklauf zur Rücklaufbohrung gelangt. Das Kühlmittel wird auch hier nich bis direkt an die Elektrodenspitze geführt, wodurch lediglich Schweißsströme in Höhe von 200A möglich sind.
Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, insbesondere beim Schweißen von Aluminium, kann jedoch bei Schweißströmen die in der Größenordnung von 500A liegen, wesentlich erhöht werden. Die bekannten Plasmabrenner, die mit einer Elektrode am Pluspol arbeiten, sind jedoch aufgrund der ungenügenden Kühlung nicht geeignet, den hohen thermischen Beanspruchungen standzuhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Plasmabrenner für das Plasma-Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit einer nicht abschmelzenden wassergekülten Elektrode zu entwickeln, der einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und bei einer hohen thermischen Belastung durch den Pluspol an der Elektrode und gleichmäßig hohen Stromstärken im Bereich von 500A die dabei entstehenden Wärmemengen schnellstmöglichst und sicher von der Elektrode und der Plasmadüse abzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches und den weiteren Merkmalen in den Unteransprüchen gelöst. Dazu wird das Kühlmittel mit nur einem Kühlkreislauf sowohl bis an die Elektrodenspitze der Elektrode als auch in den Bereich der Plasmadüse geleitet, der hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
Der Plasmabrenner für das Plasma-Schutzgas-Lichtbogenschweißen weist eine nicht abschmelzende wassergekühlte Elektrode auf, die sich im Zentrum des Plasmabrenners befindet. Die Düse ist in ein Düsenoberteil und ein Düsenunterteil untergliedert, zwischen welchen zur elektrischen Trennung ein Isolierzwischenstück angeordnet ist. Am Düsenunterteil ist eine Schutzgasdüse mit einem Hochfrequenzanschluß vorzugsweise axial verschiebbar befestigt. Am Düsenoberteil sind die Anschlüsse für den Schweißstrom, die Plasmagaszuleitung, die Schutzgaszuleitung sowie für den Kühlmittelzulauf und den Kühlmittelrücklauf der Kühlflüssigkeit angeordnet. Die Kühlflüssigkeit wird durch eine radiale Bohrung vom Kühlmittelzulauf zu einem Hohlraum in der Elektrode geführt, in den ein Kühlrohr mündet. Durch das Kühlrohr strömt das Kühlmittel an der Elektrodenspitze vorbei, kühlt diese ab und gelangt durch den ringförmigen Kühlkanal, der zwischen Außendurchmesser des Kühlrohres und Innendurchmesser der Elektrode gebildet wird, in einen Hohlraum, durch den das Kühlrohr reicht. Von diesem Hohlraum aus wird der Kühlmittelstrom über eine Vorlaufbohrung in dem Bereich des Düsenunterteils geführt, in welchem die höchste Temperaturbeanspruchung auftritt. Im Düsenunterteil strömt das Kühlmittel durch eine ringförmige Kühlkammer und von dieser aus über eine Rücklaufbohrung zum Kühlmittelrücklauf im Düsenoberteil.
Zur Trennung von Vor- und Rücklauf ist in der Kühlkammer zwischen Vorlaufbohrung und Rücklaufbohrung eine Stauscheibe angeordnet. Vorteilhafter Weise ist die Elektrode zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem Elektrodenoberteil und einem daran lösbar befestigtem Elektrodenunterteil. Dabei weist das zylindrische Elektrodenoberteil einen Hohlraum auf, von dessen Grund aus eine zentrische Bohrung in das Elektrodenoberteil hineinreicht. In dieser Bohrung wird das Kühlrohr mit einem Ende befestigt. Gleichzeitig führt von dieser zentrischen Bohrung nach außen eine radiale Bohrung für den Zulauf des Kühlmittels. Im Hohlraum wird das Elektrodenunterteil derartig befestigt, daß ein Bereich des Hohlraumes frei bleibt, von welchem die Vorlaufbohrung zur Kühlkammer im Düsenunterteil mündet.
Die Vorlaufbohrung ist in einen radialen Bereich und einen axialen Bereich unterteilt. Der axiale Bereich führt vom Hohlraum aus durch das Düsenoberteil, das Isolierzwischenstück und das Düsenunterteil in dessen Kühlkammer. Vom Hohlraum im Elektrodenoberteil aus führt der radiale Bereich über einen Durchbruch zu einer Kammer, die durch die äußere Oberfläche des Elektrodenoberteils und durch eine Aussparung im Düsenoberteil gebildet wird bis zum axialen Bereich.
Das Unterteil der Elektrode wird im Plasmagasraum durch einen Gasverteiler- und Zentrierring aus elektrisch leitendem oder isolierendem Werkstoff im Düsenunterteil zentriert. Besteht der Gasverteiler- und Zentrierring aus elektrisch leitfähigem Werkstoff ist zusätzlich eine Isolierhülse im Düsenunterteil anzuordnen. Die Einschnürungsdüse für den Plasmalichtbogen wird vorzugsweise Separat ausgebildet und im Düsenunterteil lösbar oder unlösbar befestigt. Zur Stabilisierung des Plasmalichtbogens werden kreisförmig um die zentrale Plasmalochbohrung der Einschnürungsdüse herum zusätzliche Bohrungen angeordnet. Diese können auf gleichen oder unterschiedlichen Teilkreisen liegen. Die Anzahl der Bohrungen kann nach Bedarf variiert werden.
Die Schutzgasdüse liegt an ihrem zum Düsenoberteil weisenden Ende mit dem Innendurchmesser am Außendurchmesser des Düsenunterteils an. Anschließend wird eine Verteilungskammer zwischen Außenfläche des Düsenunterteils und Innenfläche der Schutzgasdüse gebildet, in welche das Schutzgas von seinem Anschluß im Düsenoberteil über entsprechende Bohrungen strömt. Die Schutzgasdüse weist vorzugsweise ringförmig angeordnete Austrittsbohrungen für das Verteilen und Ausströmen des Schutzgases auf, die insbesondere auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen und deren Anzahl variiert werden kann.
Vorteilhafter Weise besteht die Eektrodenspitze aus hochreinem Elektrolytkupfer. In der Elektrodenspitze kann auch ein Einsatz aus Wolfram zentrisch angeordnet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1:
Draufsicht des Plasmabrenners 1
Fig. 2:
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B gem. Fig. 1
Fig. 3:
Schnittdarstellung entlang der Linie C-C gem. Fig. 1
Fig. 4:
Längsschnitt der Elektrode
Fig. 5:
Darstellung des Gasverteiler- und Zentrierringes
Fig. 6:
Längsschnitt der Einschnürungsdüse
Fig. 7:
Draufsicht des Düsenunterteils
Fig. 8:
Längsschnitt des Düsenunterteils
Fig. 9:
Draufsicht auf das Isolierzwischenstück
Fig. 10:
Längsschnitt durch das Isolierzwischenstück entlang der Linie A-A gem. Fig. 9
Fig.11:
Längsschnitt durch das Isolierzwischenstück entlang der Linie B-B gem. Fig. 9
Fig. 12:
Längsschnitt der Schutzgasdüse
Der erfindungsgemäße Plasmabrenner für das Plasma-Schutzgas-Lichtbogen-Schweißen weist gem. Fig. 1 einen Stromanschluß 1, einen Anschluß für die Plasmagaszuleitung 2, einen Anschluß für die Schutzgaszuleitung 3 sowie einen Anschluß für den Kühlmittelzulauf 4 und den Kühlmittelrücklauf 5 auf. Weiterhin ist ein Hochfrequenzanschluß 6 vorgesehen. Ein Längsschnitt entlang der Linie B-B wird in Fig. 2 gezeigt. Die Düse ist dabei in ein Düsenoberteil 7 und ein Düsenunterteil 8 untergliedert, zwischen welchen zur elektrischen Trennung ein Isolierzwischenstück 9 angeordnet ist. Am Düsenunterteil 8 ist eine Schutzgasdüse 10 mit dem Hochfrequenzanschluß 6 vorzugsweise axial verschiebbar befestigt. Im Zentrum ist die nicht abschmelzende wassergekühlte Elektrode angeordnet, die aus einem Elektrodenoberteil 12 und einem Elektrodenunterteil 13 besteht. Das Elektrodenoberteil 12 und das Elektrodenunterteil 13 sind lösbar miteinander verbunden. Dadurch kann das Elektrodenunterteil 13 bei Verschleiß leicht ausgewechselt werden. Im Elektrodenoberteil 12 ist ein Kühlrohr 14 befestigt, welches in den Hohlraum des Elektrodenunterteils 13 annähernd bis zur Elektrodenspitze 15 reicht. In der Elektrodenspitze 15 befindet sich ein Einsatz 16 aus Wolfram. Die Kühlflüssigkeit wird vom Kühlmittelzulauf 4 durch einen radialen Durchlaß 17, der in einen Ringraum 18 mündet, und einen an den Ringraum 18 angrenzenden radialen Durchlaß 19 im Elektrodenoberteil 12 zu einer darin angeordneten zentrischen axialen Bohrung 20 geführt. In der Bohrung 20 ist das Kühlrohr 14 befestigt. Durch das Kühlrohr 14 gelangt die Kühlflüssigkeit bis zur Elektrodenspitze 15, kühlt diese ab und strömt im Kühlkanal 21 zwischen Kühlrohr 14 und Innenraum des Elektrodenunterteils 13 zu einem Hohlraum 22 im Elektrodenoberteil 12 und durch einen Durchbruch 23 aus dem Elektrodenoberteil 12 hinaus. An den Durchbruch 23 schließt sich der Kühlmittelvorlauf zu einer ringförmigen Kühlkammer 24 im Düsenunterteil 8 an. Der Kühlmittelvorlauf besteht dabei aus einer radialen Bohrung 25 , die sich in Richtung zum Durchbruch 22 in einen Ringraum 26 erweitert und einer axialen Vorlaufbohrung V, die von der radialen Bohrung 25 im Düsenoberteil 7 durch das Isolierzwischenstück 9 und Düsenunterteil 8 in die darin befindliche Kühlkammer 24 führt. Im Düsenunterteil 8 strömt das Kühlmittel durch die ringförmige Kühlkammer 24 und von dieser aus über eine Rücklaufbohrung R zum Kühlmittelrücklauf 5 im Düsenoberteil 7. Zur Trennung von Vor- und Rücklauf ist in der Kühlkammer 24 zwischen Vorlaufbohrung V und Rücklaufbohrung R eine Stauscheibe S angeordnet. (s. Fig. 7) Das Elektrodenunterteil 13 wird im Plasmagasraum P durch einen Gasverteiler- und Zentrierring 27 aus elektrisch leitendem oder isolierendem Werkstoff im Düsenunterteil zentriert. Besteht der Gasverteiler- und Zentrierring 27 aus elektrisch leitfähigem Werkstoff ist zusätzlich eine Isolierhülse 28 im Düsenunterteil 8 anzuordnen. Die Einschnürungsdüse 29 für den Plasmalichtbogen wird vorzugsweise wie dargestellt separat ausgebildet und im Düsenunterteil 8 lösbar oder unlösbar befestigt. Zur Stabilisierung des Plasmalichtbogens werden kreisförmig um die zentrale Plasmalochbohrung 30 der Einschnürungsdüse 29 herum zusätzliche Bohrungen 31 angeordnet (s. auch Fig. 6). Diese können auf gleichen oder unterschiedlichen Teilkreisen liegen. Die Anzahl der Bohrungen 31 kann nach Bedarf variiert werden.
Die Schutzgasdüse 10 liegt an ihrem zum Düsenoberteil 7 weisenden Ende mit dem Innendurchmesser am Außendurchmesser des Düsenunterteils 8 an. Anschließend wird eine Verteilungskammer 32 zwischen Außenfläche des Düsenunterteils 8 und Innenfläche der Schutzgasdüse 10 gebildet, in welche das Schutzgas von seinem Anschluß 3 im Düsenoberteil 7 über entsprechende Bohrungen strömt.
Die Schutzgasdüse 10 weist vorzugsweise ringförmig angeordnete Austrittsbohrungen 33 für das Verteilen und Ausströmen des Schutzgases auf, die insbesondere auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen und deren Anzahl variiert werden kann. Das Isolierzwischenstück 9 ist über eine nicht dargestellte Schraubverbindung mit den Düsenoberteil 7 verbunden. Am Isolierzwischenstück 9 ist das Düsenunterteil 8 mittels einer Überwurfmutter 34 befestigt. Das Elektrodenoberteil 12 ist lösbar mit dem Elektrodenhalter 35 verbunden, an welchem sich auch der Stromanschluß 1 befindet. Der Plasmabrenner weist weiterhin eine Befestigungsschelle 36 zum Befestigen an einem Geräteträger auf, die durch eine Isolierhülse 37 elektrisch vom Düsenoberteil 7 getrennt ist.
In Fig. 3 ist der Schnitt C-C gem. Fig. 1 dargestellt. Vom Plasmagasanschluß 2 führt eine axiale Bohrung L2 zum Plasmagasraum P zwischen Isolierhülse 28 und Kühlrohr 13 und zum Kühlmittelrücklauf 5 führt die Rücklaufbohrung R.
Das Düsenunterteil ist mit der Überwurfmutter 34 am Isolierzwischenstück 9 befestigt.
Das Elektrodenunterteil 13 wird gem. Fig. 4 durch eine radial angeordnete Klemmschraube 38 lösbar im Elektrodenoberteil angeordnet.
Fig. 5 zeigt den Gasverteiler- und Zentrierring 27, der das Elektrodenunterteil 13 zentriert. Gleichzeitig wird durch die Bohrungen 27a eine Verteilung des Plasmagases erzielt.
Die Einschnürungsdüse 29 (Fig. 6) ist separat ausgebildet und weist zusätzlich zur Plasmalochbohrungen weitere ringförmig dazu angeordnete Bohrungen 31 auf. Es werden dabei vorzugsweise 3 bis 6 Bohrungen 31 vorgesehen. Die Einschnürdüse dient zur Einschnürung des Pluspol-Lichtbogens. Durch die besondere Konstruktion kann dem Lichtbogen eine spezifische Form gegeben werden. Somit wird erreicht, daß zwischen Lichtbogen und Plasmadüse 29 das austretende Plasmagas auf die Plasmadüse 29 eine Temperaturreduzierung bewirkt. Dadurch wird die Standzeit der Düse erhöht. Die ringförmig angeordneten Bohrungen 31 dienen der zusätzlichen Stütze des Plasmalichtbogens.
Die Draufsicht des Düsenunterteils zeigt Fig. 7. Das im wesentlichen zylindrische Teil weist die Vorlaufbohrung V, die Rücklaufbohrung R sowie die Bohrung L3 für das Zuführen des Schutzgases auf. Die Bohrungen V und R sind durch eine Stauscheibe S voneinander getrennt. Der Längsschnitt des Düsenunterteils 8 entlang der Linie A-A gem. Fig. 7 ist in Fig. 8 dargestellt. Die Kühlkammer 24 wird durch einen Ring 11 verschlossen, der vorzugsweise durch Hartlöten befestigt wird.
Das Isolierzwischenstück 9 wird nochmals in Fig. 9, 10 und 11 gezeigt. Es weist Durchgangsbohrungen V, R, L1 und L2 auf. Die Schutzgasdüse 10 zeigt Fig. 12. Am oberen Ende weist diese eine Bohrung 39 auf. Durch diese Bohrung 39 kann die Schutzgasdüse mit einer Klemmschraube am Düsenunterteil 8 axial verschiebbar befestigt werden. An der Gewindebohrung 40 wird der Hochfrequenzanschluß 6 angebracht. Um einen gleichmäßigen Austritt des Schutzgases zu gewährleisten, sind ringförmig Austrittsbohrungen 33 eingebracht. Durch diese Bohrungen 33 kann sich um den Plasmalichtbogen ein ringförmiger Schutzgasschleier bilden. der den gesamten Schweißvorgang vor der übrigen Atmosphäre schützt. Die Verstellbarkeit der Schutzgasdüse 10 erhöht zusätzlich den Gasschutzeffekt.
Die Art des Kühlsystems mit nur einem Kühlkreislauf und der weit nach unten gezogenen Kühlkanal in der Elektrode sowie die Kühlkammer im Bereich der Plasmadüse gewährleisten eine sichere Wärmeabfuhr der anfallenden hohen Wärmemengen. Damit kann die Standzeit der Einschnürungsdüse 29 und des Elektrodenunterteils 13 wesentlich erhöht werden.
Die Lichtbogenentzündung wird durch eine Hochfrequenzüberlagerung (im Bereich von 5kHz) ermöglicht. Die Zündung des Lichtbogens erfolgt zwischen der Elektrodenspitze 15 und der Einschnürungsdüse 29 (Plasmadüse). An dieser Stelle befindet sich der kürzeste Abstand zwischen diesen beiden Bauteilen. Die Anschlüsse der Hochfrequenzspannung befinden sich am Stromanschluß 1 der Pluspolelektrode (Hochfrequenzpluspol) und an der Schutzgasdüse 10 (Hochfrequenzmasse). Der dadurch entzündete Zündfunke wird durch das vorher eingeschaltete Plasmaschutzgas ausgeblasen. Somit kann die Schweißspannung berührungslos zünden.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1
Stromanschluß
2
Plasmagaszuleitung
3
Schutzgaszuleitung
4
Kühlmittelzulauf
5
Kühlmittelrücklauf
6
Hochfrequenzanschluß
7
Düsenoberteil
8
Düsenunterteil
9
Isolierzwischenstück
10
Schutzgasdüse
11
Ring
12
Elektrodenoberteil
13
Elektrodenunterteil
14
Kühlrohr
15
Elektrodenspitze
16
Einsatz
17
radialer Durchlaß
18
Ringraum
19
radialer Durchlaß
20
Bohrung
21
Kühlkanal
22
Hohlraum
23
Durchbruch
24
Kühlkammer
25
Bohrung
26
Ringraum
27
Gasverteiler- und Zentrierring
28
Isolierhülse
29
Einschnürungsdüse
30
Plasmalochbohrung
31
Bohrungen
32
Verteilungskammer
33
Austrittsbohrungen
34
Überwurfmutter
35
Elektrodenhalter
36
Befestigungsschelle 36
37
Isolierhülse
38
Schraube
39
Bohrung
40
Gewindebohrung
P
Plasmagasraum
R
Rücklaufbohrung
S
Stauscheibe
V
Vorlaufbohrung

Claims (12)

  1. Plasmabrenner für das Plasma-Schutzgas-Lichtbogen-Schweißen mit einer nicht abschmelzenden, wassergekühlten, aus einem Oberteil (12) und einem Unterteil (13) bestehenden Elektrode, die sich im Zentrum des Plasmabrenners befindet, wobei der Plasmabrenner aus einem Düsenoberteil (7) und einem Düsenunterteil (8) besteht, zwischen welchen zur elektrischen Trennung ein Isolierzwischenstück (9) angeordnet ist, sowie mit einer am Düsenunterteil (8) vorgesehenen ringförmigen Schutzgasdüse (10), einem Stromanschluss (1) für den Schweißstrom, einer Plasmagaszuleitung (2), einer Schutzgaszuleitung (3) sowie mit einem Kühlmittelzulauf (4) und einem Kühlmittelrücklauf (5), wobei zur Kühlung der Elektrode ein Kühlrohr (14) vorgesehen ist, das an seinem von der Elektrodenspitze (15) entfernten Ende mit einem Ringraum (18) in Verbindung steht, der über einen radialen Durchbruch (17) mit dem Kühlmittelzulauf (4) verbunden ist, und dass eine Vorlaufbohrung (V) in einem Kühlmittelkreislauf mit einer ringförmigen Kühlkammer (24) im Bereich des Düsenunterteils (8), verbunden ist und von der Kühlkammer (24) zum Kühlmittelrücklauf (5) eine Rücklaufbohrung (R) führt, dadurch gekennzeichnet,
    dass das Unterteil (13) der Elektrode als einseitig geschlossener, rotationssymmetrischer Hohlkörper ausgebildet ist, dessen geschlossenes Ende die Elektrodenspitze (15) bildet, wobei im Zentrum des Unterteils (13) der Elektrode das Kühlrohr (14) angeordnet ist, welches nicht bis an die Elektrodenspitze (15) heranreicht und dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Unterteils (13) der Elektrode, so dass ein ringförmiger Kühlkanal (21) gebildet wird,
    das Elektrodenoberteil (12) einen Hohlraum (22) aufweist, durch welchen das Kühlrohr (14) hindurchreicht und in den der Kühlkanal (21) mündet, wobei die Vorlaufbohrung (V) mit dem Hohlraum (22) in Verbindung steht und
    dass in der Kühlkammer (24) zwischen Vorlaufbohrung (V) und Rücklaufbohrung (R) eine Stauscheibe (S) zur Trennung von Vor- und Rücklauf angeordnet ist.
  2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenunterteil (13) an dem Elektrodenoberteil (12) lösbar befestigt ist.
  3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom Grund des Hohlraumes (22) aus eine zentrische Bohrung (20) in das Elektrodenoberteil (12) hineinreicht, in welcher das Kühlrohr (14) mit einem Ende befestigt wird, daß von der zentrischen Bohrung (20) nach außen eine radiale Bohrung (17) für den Zulauf des Kühlmittels vorgesehen ist, daß in dem Hohlraum (22) das Elektrodenunterteil (13) derartig befestigt ist, daß ein Bereich des Hohlraumes (22) frei bleibt und daß vom Hohlraum (22) aus eine radiale Bohrung (23) die Verbindung zur Vorlaufbohrung (V) herstellt.
  4. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenunterteil im Plasmagasraum (P) durch einen Gasverteiler- und Zentrierring (27) aus elektrisch leitendem oder isolierendem Werkstoff im Düsenunterteil (8) zentriert ist.
  5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Gasverteiler- und Zentrierringes (27) aus elektrisch leitfähigem Werkstoff eine Isolierhülse (28) im Düsenunterteil (8) angeordnet ist.
  6. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einschnürungsdüse (29) für den Plasmalichtbogen separat ausgebildet und im Düsenunterteil (8) lösbar oder unlösbar befestigt ist.
  7. Plasmabrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung des Plasmalichtbogens auf gleichen oder unterschiedlichen Teilkreisen um die zentrale Plasmalochbohrung (30) der Einschnürungsdüse (29) herum zusätzliche Bohrungen (31) angeordnet sind.
  8. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasdüse (10) an ihrem zum Düsenoberteil (7) weisenden Ende mit dem Innendurchmesser am Außendurchmesser des Düsenunterteils (8) anliegt, daß anschließend eine spaltartige Verteilungskammer (32) zwischen Düsenunterteil (8) und Schutzgasdüse (10) gebildet wird, in welche das Schutzgas von seinem Anschluss (3) im Düsenoberteil (7) über entsprechende Bohrungen (L3) strömt und daß die Schutzgasdüse (10) ringförmig angeordnete Austrittsbohrungen (33) für das Verteilen und Ausströmen des Schutzgases aufweist, die auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen und deren Anzahl variiert werden kann.
  9. Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasdüse (10) axial verschiebbar am Düsenunterteil (8) angeordnet ist.
  10. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schutzgasdüse (10) ein Hochfrequenzanschluss (6) befestigt ist.
  11. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenspitze (15) aus hochreinem Elektrolytkupfer gefertigt ist.
  12. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Elektrodenspitze (15) ein Einsatz (16) aus Wolfram zentrisch angeordnet ist.
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