WO2022122497A1 - BRENNERHALS ZUM THERMISCHEN FÜGEN WENIGSTENS EINES WERKSTÜCKS, BRENNER MIT BRENNERHALS UND SCHWEIßVORRICHTUNG - Google Patents

BRENNERHALS ZUM THERMISCHEN FÜGEN WENIGSTENS EINES WERKSTÜCKS, BRENNER MIT BRENNERHALS UND SCHWEIßVORRICHTUNG Download PDF

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WO2022122497A1
WO2022122497A1 PCT/EP2021/083724 EP2021083724W WO2022122497A1 WO 2022122497 A1 WO2022122497 A1 WO 2022122497A1 EP 2021083724 W EP2021083724 W EP 2021083724W WO 2022122497 A1 WO2022122497 A1 WO 2022122497A1
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WO
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nozzle assembly
nozzle
gas
insert
torch
Prior art date
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PCT/EP2021/083724
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French (fr)
Inventor
Sascha Rose
Matthias Bickelhaupt
Original Assignee
Alexander Binzel Schweisstechnik Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Priority to EP21835588.1A priority patent/EP4259370A1/de
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    • B23K9/32—Accessories
    • B23K9/325—Devices for supplying or evacuating shielding gas

Definitions

  • Torch neck for thermal joining of at least one workpiece for thermal joining of at least one workpiece, torch with torch neck and welding device
  • the invention relates to a torch neck for thermal joining of at least one workpiece according to the preamble of claim 1 and a torch with such a torch neck according to claim 18 and a welding device according to claim 20.
  • MAG gas-shielded arc welding processes with consumable electrodes
  • MIG metal inert gas
  • MAG metal active gas
  • TSG tungsten inert gas
  • the welding devices according to the invention can be designed as machine-guided welding torches which are arranged on a robot arm. However, manually operated burners are also conceivable.
  • arc welders create an arc between the workpiece and a consumable or non-consumable welding electrode to melt the weld metal.
  • the weld metal and the welding point are shielded from the atmospheric gases by a flow of protective gas.
  • the welding electrode is provided on a torch body of a welding torch which is equipped with an arc welder connected is.
  • the torch body usually includes a group of internal weld current-carrying components that direct the welding current from a welding power source in the arc welder to the tip of the torch head and onto the welding electrode for thence to generate the arc to the workpiece.
  • the flow of shielding gas flows around the welding electrode, the arc, the weld pool and the heat-affected zone on the workpiece and is fed to these areas via the torch body of the welding torch.
  • a gas nozzle directs the flow of shielding gas to the front end of the torch head, where the flow of shielding gas emerges from the torch head in a roughly annular shape around the welding electrode.
  • the arc generated for welding heats the workpiece to be welded and any weld metal that is fed in, so that these are melted.
  • soldering can also be used to join sheet metal components. In contrast to welding, it is not the workpiece that is melted, only the filler material. The reason for this is that when soldering, two edges are connected to each other using the solder as an additional material. The melting temperatures of the solder material and the component materials are far apart, which is why only the solder melts during processing. In addition to TIG, plasma and MIG torches, LASER are also suitable for soldering.
  • a torch neck or torch according to the invention can be used in such a welding device.
  • Such devices with welding wire and process gas supply are already known in many different ways. As a rule, they have a wire feed nozzle with a welding wire channel, the wire feed nozzle being detachably connected to a nozzle assembly. The nozzle assembly is in turn detachably connected to a profile which is provided with a welding wire channel and connected to a welding wire conveyor.
  • the nozzle assembly serves as a connecting piece between the contact tip and the inner tube of the torch, secures the contact tip mechanically and conducts the electrical current in the direction of the wire feed forward to the contact tip or to the arc.
  • the nozzle holder directs the protective or process gas through several bores from the inside of the inner tube to the outside in the direction of the protective gas nozzle and thus finally to the welding process.
  • the nozzle holder directs thermal energy from the contact tip to the rear area of the torch or torch tube.
  • devices of this type have a process gas feed device, which generally has at least one process gas channel, with this process gas feed device being connected to a process gas reservoir.
  • the process gas supply device is provided with the gas nozzle, which is arranged on the nozzle assembly, so that the process gas exits directly via the nozzle assembly.
  • the main purpose of the process gas is to blow away the welding fumes that occur during welding. If an inert gas is used as the process gas, a protective gas bell is also formed by the process gas, so that very good welding results can be achieved.
  • a welding device with a gooseneck, a diffuser sleeve, an insert, a current contact nozzle and a nozzle is known from WO 2015/148656 A1. These components are connected to one another in the usual way in such a way that they share a common axis.
  • the liner has an internal passage and a wall extending between the ends of the liner. This wall has at least one hole for fluid communication with the internal passage.
  • the diffuser sleeve has an interior cavity and a wall extending between the ends. This wall may have at least one hole for fluid communication with the internal cavity.
  • the insert is located in the inner cavity of the diffuser sleeve, which is located between the gooseneck and the current contact nozzle.
  • the wall of the liner and the wall of the diffuser sleeve are axially adjacent along the longitudinal axis of the end assembly and spaced apart in a direction substantially perpendicular to the longitudinal axis of the end assembly such that a chamber is formed between the wall of the liner and the wall of the diffuser sleeve .
  • the hole in the diffuser sleeve wall and the hole in the liner wall are in fluid communication with the chamber.
  • a disadvantage of these welding devices is the complex structure, which requires the fitting accuracy of two half-shells in a temperature-stressed area between the current contact nozzle and the diffuser sleeve.
  • the insert in this known welding device is connected directly to the current nozzle and is therefore exposed to high temperatures that cause expansion.
  • the hemispherical shape of the rear end of the Current contact nozzle as a wearing part is not optimal for cost reasons.
  • Another disadvantage is that the connection to the chamber tends to get dirty, since the holes become clogged more easily than, for example, a gap or annular gap.
  • the protective gas flow through the holes is greatly accelerated, which can lead to turbulence that cannot be dissipated up to the process area and thus atmospheric oxygen can be whirled in and negatively affect the protective gas cover.
  • the holes also cause a higher pressure drop and thus a reduced amount of protective gas or a higher admission pressure to achieve the same amounts of protective gas.
  • US Pat. No. 5,313,046 discloses a device for guiding the welding wire and process gas of a welding device, which, however, cannot ensure a satisfactory homogeneous supply of the process gas since inhomogeneity cannot be avoided due to the arrangement of the boreholes there that carry the process gas.
  • this object is also achieved by a torch with such a torch neck according to claim 18 and with a welding device with a torch according to claim 20.
  • the torch neck according to the invention for thermal joining of at least one workpiece in particular for arc joining, preferably for arc welding or arc soldering, has an electrode arranged in the torch neck or a wire for generating an arc between the electrode or the wire and the workpiece.
  • a gas nozzle is provided for the outflow of a stream of protective gas from a gas outlet of the gas nozzle, with a nozzle assembly which has an inner cavity and at least one gas outlet opening which is in fluid communication with the gas outlet of the gas nozzle, and with a nozzle assembly insert arranged in the inner cavity of the nozzle assembly having a front end and a rear end.
  • the outer wall of the nozzle assembly insert is at least partially spaced from the inner wall of the nozzle assembly to form a flow space for the flow of protective gas.
  • the flow chamber is in fluid connection with the gas outlet opening of the nozzle assembly.
  • the nozzle assembly, the nozzle assembly insert and the gas nozzle are connected to one another in such a way that they share a common axis.
  • the nozzle assembly and the gas nozzle can be detachably connected to one another.
  • the nozzle assembly insert can then be located in the nozzle assembly. Both parts are then connected to each other via the nozzle assembly.
  • a front and/or rear inflow area formed by a front and/or rear gap for introducing the protective gas into the flow chamber is provided at the front end and/or at the rear end of the nozzle assembly insert.
  • the gas flow is directed to the nozzle assembly insert through an inner tube of the torch neck in fluid communication with a gas reservoir. There, the gas flow can flow into the inflow area formed by the front gap and be passed on into the flow space up to the gas outlet opening of the nozzle assembly. Finally, the gas flow exits the gas outlet of the gas nozzle for the welding process.
  • the protective gas can be introduced through the front inflow area transversely, preferably approximately perpendicularly, to the longitudinal axis of the nozzle assembly into the flow chamber, through which the protective gas then flows in the opposite direction to the direction of flow inside the nozzle assembly insert, i.e. backwards, until it passes through the gas outlet opening of the nozzle assembly forward to the gas outlet of the gas nozzle.
  • the inflow area is formed by the rear gap.
  • This rear gap can be in front of the gas outlet opening of the nozzle assembly, viewed in the flow direction of the protective gas.
  • the protective gas flows out of the inner tube of the torch neck into the rear inflow area formed by the rear gap and is introduced into the flow space and then guided out through the gas outlet opening of the nozzle assembly at the gas outlet from the gas nozzle.
  • the formation of a front and/or rear inflow area creates turbulent flows of the protective gas flow, which increase the heat transfer between the solid body and the protective gas.
  • a turbulent flow is generated on the inner wall of the nozzle assembly, which is associated with high flow velocities or changes in flow velocities due to the reduced cross sections or cross-sectional changes.
  • the nozzle assembly insert is inserted into the opening of the nozzle assembly, which can form a gap between its outer wall and the inner wall of the nozzle assembly and, when installed, the gap is either at a distance from the front stop of the nozzle assembly opening and/or from the attached inner tube, i.e. at a distance to the rear.
  • the gap can either cover the entire circumference, i.e. around 360°, or only partially.
  • the protective or process gas can flow through the gap that forms in the direction of the holes in the nozzle assembly.
  • the torch neck can preferably be used with air-cooled torch systems.
  • air-cooled burner systems are also conceivable within the scope of the invention.
  • the flow space is only formed by the arrangement of the nozzle assembly insert relative to the nozzle assembly.
  • the process gas can be distributed homogeneously around the nozzle assembly before it flows out onto the gas nozzle or the wire feed nozzle, and does not emerge from the nozzle assembly just before the gas nozzle. This will ensure homogeneity of the process gas around the welding wire in the area of the welding point or the welding area.
  • the susceptibility to contamination is lower than in the case of the inserts with holes or bores known from the prior art, which clog easily and the local acceleration of the protective gas flow is less pronounced.
  • the front end of the nozzle assembly insert is at a distance from the front end of the gas outlet opening of the nozzle assembly to form the front inflow area formed by the front gap.
  • the rear end of the nozzle assembly insert is at a distance from the front end of an inner tube of the burner neck to form the rear inflow area formed by the rear gap.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the outer wall of the nozzle assembly insert is at least partially spaced from the inner wall of the nozzle assembly, so that a flow space can be formed in a simple manner.
  • the protective or process gas flow is introduced through the front and/or rear inflow area into the flow space, which is formed in a simple structural manner by the distance between the nozzle assembly and the nozzle assembly insert.
  • the gas flows out through the gas outlet opening of the nozzle assembly in the direction of the gas outlet of the gas nozzle.
  • the rear gap is located in front of the gas outlet opening of the nozzle assembly, viewed in the direction of flow of the protective gas, in order to form a linear gas flow.
  • this gap lies in front of the gas outlet opening of the nozzle assembly, viewed in the flow direction of the protective gas. In this way, a linear gas flow is generated.
  • the protective gas flows out of the inner tube of the torch neck into the rear inflow area formed by the rear gap and is introduced into the flow space and then guided out through the gas outlet opening of the nozzle assembly at the gas outlet from the gas nozzle.
  • the linear gas flow is also called forward flow.
  • the front gap is located behind the gas outlet opening of the nozzle assembly, viewed in the direction of flow, in order to form a reverse flow of the protective gas flow.
  • the front gap is located behind the gas outlet opening of the nozzle assembly, viewed in the direction of flow, so that a reverse flow of the protective gas flow is formed. Because the gas flow is introduced through the inner tube into the interior of the nozzle assembly insert, then enters the inflow area formed by the front gap and flows into the flow space up to the gas outlet opening of the nozzle assembly passed on, through which it is then directed to the gas outlet of the gas nozzle.
  • the process or protective gas is not unnecessarily heated during welding before it hits the welding point or the welding area by the gas or wire feed nozzle, which is at a high temperature.
  • thermally induced gas flows are minimized, so that the gas can be guided to the welding point or the welding area in a particularly homogeneous manner. It has been shown that very good results are achieved with regard to the weld seam.
  • linear i.e. forward flow
  • reverse flow can also be combined with each other.
  • the protective gas flows on the outer surface of the nozzle assembly insert and/or inside the nozzle assembly insert.
  • the nozzle assembly insert is connected to the nozzle assembly, in particular pressed in, so that the insert can be fitted in a particularly simple manner.
  • the flow space for the protective gas is essentially at least one linear gap extending in the longitudinal direction of the nozzle assembly insert between the inner wall of the nozzle assembly and the outer wall of the nozzle assembly insert.
  • the gas flows from the rear inflow area formed by the rear gap over the surface of the nozzle assembly insert, which has at least one linear gap.
  • the gas is then directed through the gas outlet opening of the nozzle assembly in the direction of the gas outlet of the gas nozzle.
  • the linear gap can be produced easily in terms of manufacturing technology, for example by using standard profiles.
  • the outer shape of the profile can have a round or angular cross section.
  • the linear gap is formed by grooves on the outer wall of the nozzle assembly insert which extend essentially in the longitudinal direction of the nozzle assembly insert and are preferably arranged at approximately the same distance from one another on the circumferential side.
  • the through-holes in the wall or in the insert known from the prior art are more complex to produce than a groove provided on the surface.
  • the bores are relative to the bores of the gas nozzle carrier and their orientation may deviate.
  • two sleeves or tubular bodies are plugged into one another. Both have a certain number of bores, which are distributed in a ring or along the circumference.
  • the flow chamber is essentially formed by a helical gap, which is located on the outer wall of the nozzle insert in the Substantially extending in the longitudinal direction thread, in particular a trapezoidal thread is formed.
  • a helical gap which is located on the outer wall of the nozzle insert in the Substantially extending in the longitudinal direction thread, in particular a trapezoidal thread is formed.
  • the gas travels longer around the insert or in the nozzle assembly than with a straight gas flow path. Due to the flanks of the thread, the gas flows around a larger surface overall.
  • the nozzle block insert has opposite first and second ends extending along the axis of the nozzle block insert with a length between the ends and the diameter of the nozzle block insert varies along its length.
  • the nozzle assembly insert has a smaller cross section at its front end facing the gas outlet of the gas nozzle compared to the rear end of the nozzle assembly insert facing away from the gas outlet to form an annular channel of the flow space. In this respect, too, the continuity of the homogeneity of the protective or process gas at the welding point or the welding area is ensured.
  • the direction of flow of the protective gas flow in the ring channel is changed at least once, so that the flow duration or the flow path of the Protective gas flow is extended overall within the gas nozzle. This configuration further improves the absorption and conduction of heat.
  • the nozzle assembly insert has an inner passage for the passage of an electrode or a wire for generating an arc between the electrode or the wire and the workpiece.
  • the gas stream flows from an inner tube of the burner neck into the nozzle assembly insert.
  • a current contact nozzle is positioned in the inner cavity of the nozzle assembly such that it extends into the inner cavity of the nozzle assembly and preferably extends outwards in a direction from the nozzle assembly relative to the nozzle assembly insert.
  • the nozzle assembly insert and the current contact nozzle are not in direct contact with one another, but are connected via the nozzle assembly. However, it is also conceivable that the nozzle assembly insert and the current contact nozzle can touch after assembly in the torch, i.e. directly adjoin one another.
  • the nozzle assembly insert is located in the nozzle assembly and the nozzle assembly is attached to the burner.
  • nozzle assembly insert, the current contact nozzle and the nozzle assembly are made of a conductive material and the nozzle assembly insert is in contact with the current contact nozzle.
  • the conductive material can be copper or copper alloys such as brass.
  • the nozzle assembly insert is arranged axially in a cavity in the nozzle assembly between the burning neck and the current contact nozzle.
  • Figure 1 shows a sectional view of a section of a burner neck with gas nozzle, nozzle assembly and nozzle assembly insert according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a detailed view of the torch neck according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a sectional view of a section of the torch neck with gas nozzle, nozzle assembly and nozzle assembly insert according to a second embodiment
  • FIG. 4 shows a section of a torch neck with gas nozzle, nozzle assembly and nozzle assembly insert according to a third embodiment
  • FIG. 5 shows a perspective view of the nozzle assembly insert with a linear gap
  • Figure 6 is an exploded view of the torch neck
  • Figure 7 is another exploded view of the torch neck.
  • a torch neck 10 is shown for thermally joining at least one workpiece, in particular for arc joining, preferably for arc welding or arc soldering.
  • the torch neck 10 can be part of a torch of a welding device, not shown.
  • An electrode or wire is arranged in the torch neck 10 for generating an arc between the electrode or wire and the workpiece.
  • a gas nozzle 1 is provided for the outflow of a flow of protective gas from a gas outlet 2 of the gas nozzle 1 .
  • a nozzle assembly 3 holding the gas nozzle 1 has at least one gas outlet opening 8 for the protective gas, which is in fluid communication with the gas outlet 2 of the gas nozzle 1 .
  • the opposed first 4 and second 5 ends of the nozzle assembly 3 extend along the axis of the nozzle assembly with a length intermediate the ends 4, 5.
  • an inner cavity 7 is provided in the nozzle assembly 3, in which a nozzle assembly insert 20 having a front end 23 and a rear end 24 is arranged, as can be seen from FIG. 1 and also from FIGS.
  • the nozzle assembly insert 20 is mechanically connected to the nozzle assembly 3, in particular pressed into it.
  • the nozzle assembly insert 20 has an internal passage 21 for the passage of an electrode or wire to create an arc between the electrode or wire and the workpiece.
  • a current contact nozzle 17 is positioned in the inner cavity 7 of the nozzle assembly 3 such that it extends into the inner cavity 7 of the nozzle assembly 3 and preferably in a direction from the nozzle assembly 3 in relation to the nozzle assembly insert 20 extends outwards, as shown in particular in FIGS. 6 and 7 in an exploded view.
  • the nozzle assembly 3, the nozzle assembly insert 20 and the gas nozzle 1 are connected to one another in such a way that they share a common axis, as can be seen from FIGS.
  • the outer wall 22 of the nozzle assembly insert 20 is at least partially spaced from the inner wall 9 of the nozzle assembly 3 to form a flow space 11 for the flow of protective gas.
  • This flow chamber 11 is in fluid connection with the gas outlet opening 8 of the nozzle assembly 3 .
  • a front and/or rear inflow region formed by a front 25 and/or rear gap 26 for introducing the protective gas into the flow chamber 11.
  • these gaps 25, 26 extend essentially perpendicularly to the longitudinal axis of the nozzle assembly 3 or the nozzle assembly insert 20.
  • the first embodiment of the torch neck according to FIG. 1 shows that an inflow area formed by the front gap 25 is provided only at the front end 23 of the nozzle assembly insert 20 .
  • the front end 23 of the nozzle assembly insert 20 is arranged at a distance from a front stop or an edge 28 of the nozzle assembly 3 .
  • the rear end 24 is directly without forming a gap, ie directly adjacent to an inner tube 18 of the Torch neck 10 on.
  • FIG. 2 illustrates a detailed view and FIGS. 6 and 7 show an exploded view of this embodiment.
  • the gas flows from a gas reservoir through the inner tube 18 in the direction of the nozzle assembly insert 20.
  • FIG. 3 a second embodiment of the torch neck is shown, an inflow region formed by the rear gap 26 being provided only at the rear end 24 of the nozzle assembly insert 20 .
  • the rear gap 26 is formed in that the rear end 24 of the nozzle assembly insert 20 is arranged at a distance from the front end of an inner tube 18 of the burner neck 10, as can be seen from FIG.
  • the front end 23 lies directly against the stop 28 of the nozzle assembly 3 of the torch neck 10 without forming a gap.
  • FIG. 4 shows a third embodiment in which a gap 25, 26 is provided both at the front end 23 and at the rear end 24 of the nozzle assembly insert 20, which forms an inflow area for the protective gas into the flow space 11.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the torch neck 10, with the flow space 11 being formed by a plurality of linear gaps 12 between the inner wall 9 of the nozzle assembly 3 and the outer wall 22 of the nozzle assembly insert 20, which is on the outer surface 27 of the nozzle assembly insert 20 extend in the longitudinal direction of the insert 20.
  • the linear gap 12 is formed by grooves 13 on the outer wall 22 of the nozzle assembly insert 20 which extend essentially in the longitudinal direction of the nozzle assembly insert 20 and are preferably arranged at approximately the same distance from one another on the circumferential side.
  • the protective gas flows out of the inner tube 18 through the grooves 13 in the direction of the gas outlet opening 8 of the nozzle assembly 3 and then on to the gas outlet 2 of the gas nozzle 1 .
  • the flow space 11 can essentially be formed by a helical gap 14, which is formed by a thread 15, in particular a trapezoidal thread, extending essentially in the longitudinal direction on the outer wall 22 of the nozzle assembly insert 20.
  • this gap 26 lies in front of the gas outlet opening 8 of the nozzle assembly 3, viewed in the flow direction of the protective gas.
  • a linear gas flow is generated in this way.
  • the protective gas flows out of the inner tube 18 of the torch neck 10 into the rear inflow area formed by the rear gap 26 and is introduced into the flow space 11 and then passed through the gas outlet opening 8 of the nozzle assembly 3 at the gas outlet 2 out of the gas nozzle 1.
  • the front gap 25 is located behind the gas outlet opening 8 of the nozzle assembly 3, as seen in the direction of flow, as can be seen from FIGS. In this way, a reverse flow of the protective gas flow is formed. Because the gas flow is introduced through the inner tube 18 into the interior of the nozzle assembly insert 20, then enters the inflow area formed by the front gap 25 and is passed on into the flow space 11 to the gas outlet opening 8 of the nozzle assembly 3, through which it then flows to the Gas outlet 2 of the gas nozzle 1 is passed. As FIG. 1 shows, the protective gas flows first inside the nozzle assembly insert 20 in the direction of the front end of the torch neck 10 or the gas nozzle 1 .
  • the protective gas is then introduced through the front inflow area transversely to the longitudinal axis 6 of the nozzle assembly 3 into the flow space 11, through which the protective gas then flows in the opposite direction to the direction of flow inside the nozzle assembly insert 20, i.e. to the rear, until it passes through the gas outlet opening 8 of the nozzle assembly 3 is directed forwards again to the gas outlet 2 of the gas nozzle 1, so that the reverse flow occurs.
  • the protective gas flows inside the nozzle assembly insert 20.
  • the protective gas flow also flows on the outer surface 27 of the nozzle assembly insert 20 as an alternative or in addition.
  • the opposite first 23 and second ends 24 extend along the axis 5 of the nozzle block insert 20 with a length between the ends 23, 24 and the diameter of the nozzle block insert 20 varies along its length.
  • the front end 23 of the nozzle assembly insert 20 facing the gas outlet 2 of the gas nozzle 1 has a smaller cross section than the rear end 24 of the nozzle assembly insert 20 facing away from the gas outlet 2 in order to form an annular channel 16 of the flow chamber 11.
  • the direction of flow of the flow of protective gas in the ring channel 16 can be changed at least once, so that the duration of flow or the flow path of the flow of protective gas within the gas nozzle 1 is extended.
  • the nozzle assembly insert 20, the current contact nozzle 17 and the nozzle assembly 3 can be constructed from a conductive material, in particular can be made of copper or copper alloys.
  • the nozzle assembly insert 20 can be in contact with the current contact nozzle 17 .
  • Current contact nozzle 17 can touch after assembly in the torch neck 10, i.e. immediately adjoin one another.
  • the nozzle assembly insert 20 is located in the nozzle assembly 3, which is attached to the torch neck 10.
  • the torch neck 10 can be arranged in a torch, which in turn is part of a welding device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennerhals (10), einen Brenner mit Brennerhals (10) und eine Schweißvorrichtung zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer im Brennerhals (10) angeordneten Elektrode oder einem Draht zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück und mit einer Gasdüse (1) zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt (2) der Gasdüse (1), mit einem Düsenstock (3), der einen inneren Hohlraum (7) und wenigstens eine Gasauslassöffnung (8) aufweist, welche mit dem Gasaustritt (2) der Gasdüse (1) in Fluidverbindung steht und mit einem in dem inneren Hohlraum (7) des Düsenstocks (3) angeordneten Düsenstockeinsatz (20) mit einem vorderen Ende (23) und einem hinteren Ende (24), wobei die Außenwand (22) des Düsenstockeinsatzes (20) zur Bildung eines Strömungsraumes (11) für den Schutzgasstrom zumindest bereichsweise von der Innenwand (9) des Düsenstocks (3) beabstandet ist und der Strömungsraum (11) mit der Gasauslassöffnung (8) des Düsenstocks (3) in Fluidverbindung steht. Erfindungsgemäß ist am vorderen Ende (23) und/oder am hinteren Ende (24) des Düsenstockeinsatzes (20) ein durch einen vorderen und/oder hinteren Spalt (25, 26) gebildeter vorderer und/oder hinterer Einströmbereich zum Einleiten des Schutzgases in den Strömungsraum (11) vorgesehen.

Description

Bezeichnung: Brennerhals zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, Brenner mit Brennerhals und Schweißvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Brennerhals zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Brenner mit einem solchen Brennerhals gemäß Anspruch 18 und eine Schweißvorrichtung gemäß Anspruch 20.
Thermische Fügeverfahren nutzen Energie, um die Werkstücke aufzuschmelzen und sie zu verbinden. In der Blechfertigung kommen standardmäßig „MIG“, „MAG“ sowie „WIG“-Schweißen zum Einsatz.
Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Elektrode (MSG) steht „MIG“ für „Metall-Inertgas“, und „MAG“ für „Metall-Aktivgas“. Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit nicht-abschmelzender Elektrode (WSG) steht „WIG“ für „Wolfram-Inertgas“. Die erfindungsgemäßen Schweißvorrichtungen können als maschinengeführter Schweißbrenner ausgeführt sein, welche an einem Roboterarm angeordnet sind. Es sind aber auch manuell geführte Brenner denkbar.
Im Allgemeinen erzeugen Lichtbogenschweißvorrichtungen zum Aufschmelzen des Schweißgutes einen Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer abschmelzenden oder nicht abschmelzenden Schweißelektrode. Das Schweißgut sowie die Schweißstelle werden von einem Schutzgasstrom gegenüber den Atmosphärengasen abgeschirmt.
Dabei ist die Schweißelektrode an einem Brennerkörper eines Schweißbrenners vorgesehen, der mit einem Lichtbogenschweißgerät verbunden ist. Der Brennerkörper enthält gewöhnlich eine Gruppe von innenliegenden, schweißstromführenden Bauteilen, die den Schweißstrom von einer Schweißstromquelle in dem Lichtbogenschweißgerät zur Spitze des Brennerkopfes auf die Schweißelektrode leiten, um dann von dort aus den Lichtbogen zum Werkstück zu erzeugen.
Der Schutzgasstrom umströmt die Schweißelektrode, den Lichtbogen, das Schweißbad und die Wärmeeinflusszone am Werkstück und wird diesen Bereichen dabei über den Brennerkörper des Schweißbrenners zugeführt. Eine Gasdüse leitet den Schutzgasstrom zum Vorderende des Brennerkopfes, wo der Schutzgasstrom etwa ringförmig um die Schweißelektrode aus dem Brennerkopf austritt.
Der zum Schweißen erzeugte Lichtbogen erhitzt während des Schweißvorgangs das zu schweißende Werkstück sowie gegebenenfalls zugeführtes Schweißgut, sodass diese aufgeschmolzen werden.
Neben dem Schweißen kommt auch das Löten in Betracht, um Blechbauteile zu verbinden. Anders als beim Schweißen wird dabei nicht das Werkstück, sondern nur der Zusatzwerkstoff geschmolzen. Der Grund dafür ist, dass beim Löten zwei Kanten durch das Lot als Zusatzwerkstoff miteinander verbunden werden. Die Schmelztemperaturen des Lotwerkstoffes und der Bauteilwerkstoffe liegen weit auseinander, weshalb bei der Bearbeitung nur das Lot schmilzt. Zum Löten eignen sich neben WIG-, Plasma- und MIG- Brennern auch LASER.
Ein erfindungsgemäßer Brennerhals bzw. Brenner kann in eine derartige Schweißvorrichtung eingesetzt werden. Solche Vorrichtungen mit Schweißdraht- und Prozessgaszuführung sind bereits in vielfältiger Art und Weise bekannt. In der Regel weisen sie eine Drahtzuführungsdüse m it einem Schweißdrahtkanal auf, wobei die Drahtzuführungsdüse lösbar mit einem Düsenstock verbunden ist. Der Düsenstock wiederum ist lösbar mit einem Profil verbunden, welches mit einem Schweißdrahtkanal versehen und mit einer Schweißdrahtfördereinrichtung verbunden ist.
Der Düsenstock dient als Verbindungsstück zwischen Stromdüse und Innenrohr des Brenners, sichert die Stromdüse mechanisch und leitet den elektrischen Strom in Richtung des Drahtvorschubes nach vorn zur Stromdüse bzw. zum Lichtbogen. Zusätzlich leitet der Düsenstock das Schutz- bzw. Prozessgas durch mehrere Bohrungen aus dem Inneren des Innenrohrs nach außen in Richtung Schutzgasdüse und damit daran schließlich zum Schweißprozess. Zusätzlich leitet der Düsenstock thermische Energie aus der Stromdüse in den hinteren Bereich des Brenners bzw. Brennerrohrs.
Während bei wassergekühlten Brennern die Prozesswärme durch Kühlwasser in mehrteiligen Rohren abgeführt wird, kann bei luftgekühlten Brennern sowohl die Wärmekapazität des Innenrohrs als auch die Wärmekapazität des Schutzgases genutzt werden.
Ferner weisen derartige Vorrichtungen eine Prozessgaszuführeinrichtung auf, welche in der Regel zumindest einen Prozessgaskanal besitzt, wobei diese Prozessgaszuführeinrichtung mit einem Prozessgasreservoir verbunden ist. Die Prozessgaszuführeinrichtung ist bei bekannten Vorrichtungen mit der Gasdüse versehen, welche an dem Düsenstock angeordnet ist, sodass das Prozessgas direkt über den Düsenstock austritt. Das Prozessgas dient im Wesentlichen dazu, den beim Schweißen auftretenden Schweißschmauch wegzublasen. Sofern ein Inertgas als Prozessgas verwendet wird, wird durch das Prozessgas auch eine Schutzgasglocke gebildet, sodass sehr gute Schweißergebnisse erzielbar sind. Aus der WO 2015/148656 A1 ist eine Schweißvorrichtung mit einem Schwanenhals, einer Diffusorhülse, einem Einsatz, einer Stromkontaktdüse und einer Düse bekannt. Diese Bauteile sind in üblicher Weise derart miteinander verbunden, dass sie eine gemeinsame Achse teilen.
Der Einsatz weist einen inneren Durchgang und eine Wand auf, die sich zwischen den Enden des Einsatzes erstreckt. Diese Wand weist mindestens ein Loch für eine Fluidverbindung m it dem inneren Durchgang auf. Die Diffusorhülse hat einen inneren Hohlraum und eine Wand, die sich zwischen den Enden erstreckt. Diese Wand kann mindestens ein Loch für die Fluidverbindung mit dem inneren Hohlraum aufweisen.
Der Einsatz befindet sich im inneren Hohlraum der Diffusorhülse, der zwischen dem Schwanenhals und der Stromkontaktdüse angeordnet ist. Die Wand des Einsatzes und die Wand der Diffusorhülse sind entlang der Längsachse der Endanordnung axial benachbart und in einer Richtung voneinander beabstandet, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Endanordnung verläuft, so dass eine Kammer zwischen der Wand des Einsatzes und der Wand der Diffusorhülse gebildet ist. Das Loch in der Wand der Diffusorhülse und das Loch in der Wand des Einsatzes stehen in Fluidverbindung mit der Kammer.
Derartige Schweißvorrichtungen sind auch aus der EP 3 1 12 072 A1 und der US 9,950,386 B2 bekannt.
Nachteilig bei diesen Schweißvorrichtungen ist der aufwendige Aufbau, der die Passgenauigkeit von zwei Halbschalen in einem temperaturbelasteten Bereich zwischen Stromkontaktdüse und Diffusorhülse erfordert. Der Einsatz bei dieser bekannten Schweißvorrichtung ist direkt mit der Stromdüse verbunden und somit hohen Temperaturen ausgesetzt, die Dehnung erzeugt. Insbesondere die halbkugelförmige Ausprägung des hinteren Endes der Stromkontaktdüse als Verschleißteil ist aus Kostengründen nicht optimal. Nachteilig ist weiterhin, dass die Verbindung zur Kammer eher zu Verschmutzung neigen, da sich die Löcher leichter zusetzen als beispielsweise ein Spalt bzw. Ringspalt. Zusätzlich wird die Schutzgasströmung durch die Löcher sehr stark beschleunigt, was zu Turbulenzen führen kann, die bis zum Prozessbereich nicht abgebaut werden können und somit Atmosphärensauerstoff einwirbeln und die Schutzgasabdeckung negativ beeinflussen können. Die Löcher bewirken überdies einen höheren Druckabfall und somit eine reduzierte Schutzgasmenge respektive einen höheren Vordruck zur Erreichung gleicher Schutzgasmengen.
Weiterhin ist aus der US 5,313,046 eine Vorrichtung zur Schweißdraht- und Prozessgasführung einer Schweißvorrichtung bekannt, welche aber eine zufriedenstellende homogene Zuführung des Prozessgases nicht sicherstellen kann, da durch die Anordnung der dortigen, das Prozessgas führenden Bohrungen Inhomogenität nicht zu vermeiden ist.
Nachteilig bei den bekannten Brennern bzw. Schweißvorrichtungen ist es weiterhin, dass die Prozesswärme nicht oder nicht optimal aufgenommen und abgeführt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Brennerhals bzw. einen Brenner und eine Schweißvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit welcher eine homogene Zuführung des Prozessgases um den Schweißdraht herum auf die Schweißstelle beziehungsweise den Schweißbereich ermöglicht wird.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, das Schutzgas optimal zu nutzen, um Prozesswärme aufzunehmen und abzuführen. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Brennerhals mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Ferner wird diese Aufgabe auch durch einen Brenner m it einem derartigen Brennerhals gemäß Anspruch 18 und mit einer Schweißvorrichtung mit einem Brenner gemäß Anspruch 20 gelöst.
Der erfindungsgemäße Brennerhals zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, weist eine im Brennerhals angeordnete Elektrode oder einen Draht zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück auf.
Darüber hinaus ist eine Gasdüse zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt der Gasdüse vorgesehen, mit einem Düsenstock, der einen inneren Hohlraum und wenigstens eine Gasauslassöffnung aufweist, welche mit dem Gasaustritt der Gasdüse in Fluidverbindung steht und mit einem in dem inneren Hohlraum des Düsenstocks angeordneten Düsenstockeinsatz mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende.
Die Außenwand des Düsenstockeinsatzes ist zur Bildung eines Strömungsraumes für den Schutzgasstrom zumindest bereichsweise von der Innenwand des Düsenstocks beabstandet.
Der Strömungsraum steht mit der Gasauslassöffnung des Düsenstocks in Fluidverbindung.
Der Düsenstock, der Düsenstockeinsatz und die Gasdüse sind derart miteinander verbunden, dass sie eine gemeinsame Achse teilen. Der Düsenstock und die Gasdüse können lösbar miteinander verbunden sein. Der Düsenstockeinsatz kann sich dann im Düsenstock befinden. Beide Teile sind dann über den Düsenstock miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß ist am vorderen Ende und/oder am hinteren Ende des Düsenstockeinsatzes ein durch einen vorderen und/oder hinteren Spalt gebildeter vorderer und/oder hinterer Einströmbereich zum Einleiten des Schutzgases in den Strömungsraum vorgesehen.
Der Gasstrom wird durch ein mit einem Gasreservoir in Fluidverbindung stehenden Innenrohr des Brennerhalses zum Düsenstockeinsatzes geleitet. Dort kann der Gasstrom in den durch den vorderen Spalt gebildeten Einströmbereich einströmen und in den Strömungsraum bis zur Gasauslassöffnung des Düsenstocks weitergeleitet werden. Schließlich tritt der Gasstrom aus dem Gasaustritt der Gasdüse zum Schweißprozess aus.
Insbesondere kann das Schutzgas durch den vorderen Einströmbereich quer, vorzugsweise etwa senkrecht zur Längsachse des Düsenstocks in den Strömungsraum eingeleitet werden, durch welchen das Schutzgas dann entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Inneren des Düsenstockeinsatzes, also nach hinten, strömt, bis es durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks hindurch wieder nach vorne zum Gasaustritt der Gasdüse geleitet wird.
Gemäß der Erfindung ist es alternativ oder zusätzlich auch denkbar, dass der Einströmbereich durch den hinteren Spalt gebildet ist. Dieser hintere Spalt kann in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung des Düsenstocks liegen. Auf diese Weise wird eine lineare Gasströmung erzeugt. Denn das Schutzgas strömt aus dem Innenrohr des Brennerhalses in den durch den hinteren Spalt gebildeten hinteren Einströmbereich und wird in den Strömungsraum eingeleitet und dann durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks hindurch am Gasauslass aus der Gasdüse herausgeleitet. Durch die Bildung eines vorderen und/oder hinteren Einströmbereiches werden turbulente Strömungen des Schutzgasstroms erzeugt, die den Wärmeübergang zwischen Festkörper und Schutzgas erhöhen.
Insbesondere wird an der Innenwand des Düsenstocks eine turbulente Strömung erzeugt, was durch die reduzierten Querschnitte bzw. Querschnittsänderungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Strömungsgeschwindigkeitsänderungen verbunden ist.
Der Düsenstockeinsatz wird in die Öffnung des Düsenstocks eingebracht, der einen Spalt zwischen seiner Außenwand und der Innenwand des Düsenstocks bilden kann und im eingebauten Zustand der Spalt entweder zum vorderen Anschlag der Düsenstocköffnung beabstandet und/oder zum angebauten Innenrohr, d.h. nach hinten, beabstandet ist. Der Spalt kann entweder über den kompletten Umfang, d.h. um 360°, oder nur partiell ausgeführt sein. Das Schutz- oder Prozessgas kann durch den sich bildenden Spalt in Richtung der Bohrungen des Düsenstocks strömen.
Der Brennerhals kann bevorzugt bei luftgekühlten Brennersystemen eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung ist aber auch der Einsatz bei wassergekühlten Brennersystemen denkbar.
Auf diese Weise wird lediglich durch die Anordnung des Düsenstockeinsatzes relativ zum Düsenstock der Strömungsraum gebildet. Es sind keine zusätzlichen Ausgestaltungen am Düsenstockeinsatz selbst vorzunehmen, wie etwa Durchgangslöcher oder Dergleichen.
Hierdurch ist erreicht, dass sich das Prozessgas bereits vor dem Ausströmen auf die Gasdüse bzw. die Drahtzuführungsdüse homogen um den Düsenstock herum verteilen kann, und nicht erst unmittelbar vor der Gasdüse aus dem Düsenstock heraustritt. Hierdurch wird die Homogenität des Prozessgases um den Schweißdraht im Bereich der Schweißstelle bzw. des Schweißbereiches sichergestellt.
Darüber hinaus ist die Verschmutzungsanfälligkeit geringer als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Einsätzen mit Löchern bzw. Bohrungen, welche sich leicht zusetzen und die lokale Beschleunigung der Schutzgasströmung weniger stark ausgeprägt ist.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das vordere Ende des Düsenstockeinsatzes zum vorderen Ende der Gasauslassöffnung des Düsenstocks zur Bildung des durch den vorderen Spalt gebildeten vorderen Einströmbereich beabstandet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das hintere Ende des Düsenstockeinsatzes zum vorderen Ende eines Innenrohrs des Brennerhalses zur Bildung des durch den hinteren Spalt gebildeten hinteren Einströmbereich beabstandet.
Durch diese Weiterbildungen wird eine diffuse, d. h. turbulente Strömung zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Festkörper und Schutzgas erreicht.
Eine Durchgangsausnehmung oder ein Loch wie im Stand der Technik ist dagegen bei dem erfindungsgemäßen Brennerhals nicht notwendig. Dadurch verringert sich der konstruktive Aufwand deutlich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Außenwand des Düsenstockeinsatzes zumindest bereichsweise von der Innenwand des Düsenstocks beabstandet ist, so dass auf einfache Weise ein Strömungsraum gebildet werden kann. Der Schutz- bzw. Prozessgasstrom wird durch den vorderen und/oder hinteren Einströmbereich in den Strömungsraum eingeleitet, welcher in einfacher konstruktiver Weise durch den Abstand zwischen Düsenstock und Düsenstockeinsatz gebildet ist. Das Gas strömt durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks heraus in Richtung Gasaustritt der Gasdüse.
Gemäß einer vorteilhaften Variante liegt der hintere Spalt in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung des Düsenstocks zur Bildung einer linearen Gasströmung.
Bei dieser Ausführungsform, in welcher der Einströmbereich durch den hinteren Spalt gebildet ist, liegt dieser Spalt in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung des Düsenstocks. Auf diese Weise wird eine lineare Gasströmung erzeugt. Denn das Schutzgas strömt aus dem Innenrohr des Brennerhalses in den durch den hinteren Spalt gebildeten hinteren Einströmbereich und wird in den Strömungsraum eingeleitet und dann durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks hindurch am Gasauslass aus der Gasdüse herausgeleitet.
Die lineare Gasströmung wird auch Vorwärtsströmung genannt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung liegt der vordere Spalt in Strömungsrichtung gesehen hinter der Gasauslassöffnung des Düsenstocks zur Bildung einer Umkehrströmung des Schutzgasstromes.
Alternativ ist es denkbar, dass der vordere Spalt in Strömungsrichtung gesehen hinter der Gasauslassöffnung des Düsenstocks liegt, so dass eine Umkehrströmung des Schutzgasstromes gebildet wird. Denn der Gasstrom wird durch das Innenrohr in das Innere des Düsenstockeinsatzes eingeleitet, tritt dann in den durch den vorderen Spalt gebildeten Einströmbereich ein und wird in den Strömungsraum bis zur Gasauslassöffnung des Düsenstocks weitergeleitet, durch welche es dann bis zum Gasauslass der Gasdüse geleitet wird.
Auf diese Weise wird das Prozess- oder Schutzgas während des Schweißens nicht schon vor dem Auftreffen auf die Schweißstelle bzw. den Schweißbereich durch die sich auf hoher Temperatur befindlichen Gas- bzw. Drahtzuführungsdüse unnötig erhitzt. Hierdurch werden therm isch bedingte Strömungen des Gases minimiert, so dass das Gas besonders homogen auf die Schweißstelle bzw. den Schweißbereich geführt werden kann. Hierbei hat es sich gezeigt, dass hinsichtlich der Schweißnaht sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Die Linear-, d.h. Vorwärtsströmung, und die Umkehrströmung können auch miteinander kombiniert werden.
Bei dieser Variante mit vorderem Spalt ist es möglich, den Düsenstockeinsatz direkt in Kontakt zum Innenrohr zu bringen, was den Vorteil hat, dass auch über das Innenrohr Wärme von vorne nach hinten in den Brenner abgeführt bzw. verteilt wird.
In besonders vorteilhafter Weise strömt das Schutzgas auf der äußeren Oberfläche des Düsenstockeinsatzes und/oder im Inneren des Düsenstockeinsatzes.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Düsenstockeinsatz mit dem Düsenstock verbunden, insbesondere eingepresst, so dass der Einsatz auf besonders einfache Weise montiert werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass der Strömungsraum für das Schutzgas im Wesentlichen wenigstens ein sich in Längsrichtung des Düsenstockeinsatzes erstreckenden Linearspalt zwischen der Innenwand des Düsenstocks und der Außenwand des Düsenstockeinsatzes ist. Das Gas strömt dabei vom durch den hinteren Spalt gebildeten hinteren Einströmbereich über die Oberfläche des Düsenstockeinsatzes, welche den wenigstens eines Linearpalt aufweist. Das Gas wird dann durch die Gasauslassöffnung des Düsenstocks in Richtung Gasaustritt der Gasdüse geleitet.
Der Linearspalt lässt sich fertigungstechnisch einfach herstellen, beispielsweise durch die Verwendung von Normprofilen. Erfindungsgemäß kann die Außenform des Profils einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Linearspalt durch auf der Außenwand des Düsenstockeinsatzes sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Düsenstockeinsatzes erstreckende Nuten gebildet, welche vorzugsweise umfangseitig etwa im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Durchgangsbohrungen in der Wand bzw. im Insert sind gegenüber einer auf der Oberfläche vorgesehenen Nut aufwändiger zu fertigen. Die Bohrungen stehen relativ zu den Bohrungen des Gasdüsenträgers und können in ihrer Ausrichtung abweichen. Mit anderen Worten sind zwei Hülsen bzw. Rohrkörper ineinander gesteckt. Beide besitzen eine gewisse Anzahl an Bohrungen, die ringförmig bzw. längs am Umfang verteilt sind. Dabei ist aber nicht sichergestellt, dass die Bohrungen der inneren Hülse, d.h. vom Einsatz, in einer Flucht zu den Bohrungen der äußeren Hülse, d.h. des Gasdüsenträger, stehen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsraum im Wesentlichen durch einen Helixspalt gebildet, welcher durch ein sich auf der Außenwand des Düsenstockeinsatzes im Wesentlichen in Längsrichtung erstreckendes Gewinde, insbesondere ein Trapezgewinde, gebildet ist. Auf diese Weise wird der Strömungskanal und damit der Strömungsweg und die -zeit des Schutzgasstromes deutlich verlängert, was wiederum zu einer besseren Wärmeaufnahme und Wärmeweiterleitung führt.
Auch werden unbeabsichtigte Turbulenzen des Schutz- oder Prozessgases weiter vermieden, welche sich störend im Schweißbereich auswirken würden.
Es ist ein längerer Weg des Gases um den Einsatz herum oder im Düsenstock realisiert, als bei einer geraden Gasstromführung. Durch die Gewindeflanken wird insgesamt auch eine größere Oberfläche vom Gas umströmt.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weist der Düsenstockeinsatz gegenüberliegende erste und zweite Enden auf, die sich entlang der Achse des Düsenstockeinsatzes mit einer Länge zwischen den Enden erstrecken und wobei der Durchmesser des Düsenstockeinsatzes entlang seiner Länge variiert.
Vorteilhafterweise weist der Düsenstockeinsatz an seinem dem Gasaustritt der Gasdüse zugewandtem vorderen Ende einen geringeren Querschnitt gegenüber dem dem Gasaustritt abgewandten hinteren Ende des Düsenstockeinsatzes zur Bildung eines Ringkanals des Strömungsraums auf. Auch insofern wird die Kontinuität der Homogenität des Schutz- oder Prozessgases an der Schweißstelle bzw. dem Schweißbereich sichergestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Strömungsrichtung des Schutzgasstroms im Ringkanal wenigstens einmal geändert, so dass die Strömungsdauer bzw. der Strömungsweg des Schutzgasstromes innerhalb der Gasdüse insgesamt verlängert ist. Durch diese Ausgestaltung wird die Wärmeaufnahme und -leitung nochmals verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Düsenstockeinsatz einen inneren Durchgang zur Durchführung einer Elektrode oder eines Drahtes zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück auf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung strömt der Gasstrom von einem Innenrohr des Brennerhalses in den Düsenstockeinsatz.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Stromkontaktdüse in dem inneren Hohlraum des Düsenstocks derart positioniert, dass sie sich in den inneren Hohlraum des Düsenstocks hinein erstreckt und sich vorzugsweise in einer Richtung von dem Düsenstock gegenüber dem Düsenstockeinsatz nach außen erstreckt.
Es ist denkbar, dass der Düsenstockeinsatz und die Stromkontaktdüse nicht direkt miteinander in Kontakt stehen, sondern über den Düsenstock verbunden sind. Es ist aber auch denkbar, dass der Düsenstockeinsatz und die Stromkontaktdüse sich nach der Montage im Brenner berühren können, d.h. unmittelbar aneinandergrenzen. Der Düsenstockeinsatz befindet sich im Düsenstock und der Düsenstock ist am Brenner befestigt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Düsenstockeinsatz, die Stromkontaktdüse und der Düsenstock aus einem leitenden Material aufgebaut sind und der Düsenstockeinsatz mit der Stromkontaktdüse in Kontakt steht. Bei dem leitenden Material kann es sich um Kupfer oder Kupferlegierungen, beispielsweise Messing handeln. Gemäß einem eigenständigen Gedanken der Erfindung ist ein Brenner mit einem zuvor beschriebenen Brennerhals vorgesehen.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Brenners ist der Düsenstockeinsatz axial in einem Hohlraum des Düsenstocks zwischen dem Brennhals und der Stromkontaktdüse angeordnet.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Dabei zeigen zum Teil schematisch:
Figur 1 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Brennerhalses mit Gasdüse, Düsenstock und Düsenstockeinsatz gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 eine Detailansicht des Brennerhalses gemäß Figur 1 ,
Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Brennerhalses mit Gasdüse, Düsenstock und Düsenstockeinsatz gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Figur 4 eines Ausschnitts eines Brennerhalses mit Gasdüse, Düsenstock und Düsenstockeinsatz gemäß einer dritten Ausführungsform,
Figur 5 eine perspektivische Ansicht des Düsenstockeinsatzes mit einem Linearspalt,
Figur 6 eine Explosionsdarstellung des Brennerhalses und
Figur 7 eine weitere Explosionsdarstellung des Brennerhalses.
Gleiche oder gleichwirkende Bauteile werden in den nachfolgend dargestellten Figuren der Zeichnung anhand einer Ausführungsform mit Bezugszeichen versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern.
Gemäß Figur 1 ist ein Brennerhals 10 zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, dargestellt. Der Brennerhals 10 kann Teil eines - nicht dargestellten - Brenners einer Schweißvorrichtung sein.
Im Brennerhals 10 ist eine Elektrode oder ein Draht zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück angeordnet.
Eine Gasdüse 1 ist zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 vorgesehen.
Ein die Gasdüse 1 haltender Düsenstock 3 weist wenigstens eine Gasauslassöffnung 8 für das Schutzgas auf, welche mit dem Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 in Fluidverbindung steht.
Die sich gegenüberliegenden ersten 4 und zweiten Enden 5 des Düsenstocks 3 erstrecken sich entlang der Achse des Düsenstocks mit einer Länge zwischen den Enden 4, 5.
Ferner ist im Düsenstock 3 ein innerer Hohlraum 7 vorgesehen, in welchem ein Düsenstockeinsatz 20 mit einem vorderen Ende 23 und einem hinteren Ende 24 angeordnet ist, wie aus Figur 1 und auch aus den Figuren 2 bis 4 hervorgeht.
Der Düsenstockeinsatz 20 ist mit dem Düsenstock 3 mechanisch verbunden, insbesondere in diesen eingepresst. Der Düsenstockeinsatz 20 weist einen inneren Durchgang 21 zur Durchführung einer Elektrode oder eines Drahtes zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück auf.
Eine Stromkontaktdüse 17 ist in dem inneren Hohlraum 7 des Düsenstocks 3 derart positioniert, dass sie sich in den inneren Hohlraum 7 des Düsenstocks 3 hinein erstreckt und sich vorzugsweise in einer Richtung von dem Düsenstock 3 gegenüber dem Düsenstockeinsatz 20 nach außen erstreckt, wie insbesondere auch die Figuren 6 und 7 in einer Explosionsdarstellung zeigen.
Der Düsenstock 3, der Düsenstockeinsatz 20 und die Gasdüse 1 sind derart miteinander verbunden, dass sie eine gemeinsame Achse teilen, wie aus den Figuren 1 bis 7 hervorgeht.
Wie ebenfalls den Figuren 1 bis 5 entnommen werden kann, ist die Außenwand 22 des Düsenstockeinsatzes 20 zur Bildung eines Strömungsraumes 1 1 für den Schutzgasstrom zumindest bereichsweise von der Innenwand 9 des Düsenstocks 3 beabstandet. Dieser Strömungsraum 1 1 steht mit der Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 in Fluidverbindung.
Am vorderen Ende 23 und/oder am hinteren Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 ist ein durch einen vorderen 25 und/oder hinteren Spalt 26 gebildeter vorderer und/oder hinterer Einströmbereich zum Einleiten des Schutzgases in den Strömungsraum 1 1 vorgesehen.
Diese Spalte 25, 26 erstrecken sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Düsenstocks 3 bzw. des Düsenstockeinsatzes 20.
Die erste Ausführungsform des Brennerhalses gemäß Figur 1 zeigt, dass lediglich am vorderen Ende 23 des Düsenstockeinsatzes 20 ein durch den vorderen Spalt 25 gebildeter Einströmbereich vorgesehen ist. Zur Bildung des vorderen Spalts 25 und des vorderen Einströmbereichs ist das vordere Ende 23 des Düsenstockeinsatzes 20 zu einem vorderen Anschlag bzw. einer Kante 28 des Düsenstocks 3 beabstandet angeordnet. In dieser Ausführungsform liegt das hintere Ende 24 ohne Bildung eines Spalts unmittelbar, d.h. direkt angrenzend an einem Innenrohr 18 des Brennerhalses 10 an. Figur 2 verdeutlicht eine Detailansicht und die Figuren 6 und 7 eine Explosionsdarstellung dieser Ausführungsform.
Das Gas strömt aus einem Gasreservoir durch das Innenrohr 18 in Richtung Düsenstockeinsatz 20.
Gemäß Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform des Brennerhalses dargestellt, wobei lediglich am hinteren Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 ein durch den hinteren Spalt 26 gebildeter Einströmbereich vorgesehen ist. Der hintere Spalt 26 ist vorliegend dadurch gebildet, dass das hintere Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 zum vorderen Ende eines Innenrohrs 18 des Brennerhalses 10 beabstandet angeordnet ist, wie aus Figur 3 hervorgeht. Das vordere Ende 23 liegt hierbei ohne Bildung eines Spalts unmittelbar am Anschlag 28 des Düsenstocks 3 des Brennerhalses 10 an.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei welcher sowohl am vorderen Ende 23 als auch am hinteren Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 jeweils ein Spalt 25, 26 vorgesehen ist, welcher jeweils einen Einströmbereich für das Schutzgas in den Strömungsraum 1 1 bildet.
In der perspektivischen Darstellung gemäß Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Brennerhalses 10 dargestellt, wobei der Strömungsraum 1 1 durch mehrere Linearspalte 12 zwischen der Innenwand 9 des Düsenstocks 3 und der Außenwand 22 des Düsenstockeinsatzes 20 gebildet ist, welche sich auf der äußeren Oberfläche 27 des Düsenstockeinsatzes 20 in Längsrichtung des Einsatzes 20 erstrecken.
Vorliegend ist der Linearspalt 12 durch auf der Außenwand 22 des Düsenstockeinsatzes 20 sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Düsenstockeinsatzes 20 erstreckende Nuten 13 gebildet, welche vorzugsweise umfangseitig etwa im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind. Das Schutzgas strömt dabei aus dem Innenrohr 18 über durch die Nuten 13 in Richtung Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 und dann weiter zum Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 .
Gemäß einer nicht dargestellten alternativen Ausgestaltung kann der Strömungsraum 1 1 im Wesentlichen durch einen Helixspalt 14 gebildet sein, welcher durch ein sich auf der Außenwand 22 des Düsenstockeinsatzes 20 im Wesentlichen in Längsrichtung erstreckendes Gewinde 15, insbesondere ein Trapezgewinde, gebildet ist.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3, in welcher der Einströmbereich durch den hinteren Spalt 26 gebildet, liegt dieser Spalt 26 in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3. Auf diese Weise wird eine lineare Gasströmung erzeugt. Denn das Schutzgas strömt aus dem Innenrohr 18 des Brennerhalses 10 in den durch den hinteren Spalt 26 gebildeten hinteren Einströmbereich und wird in den Strömungsraum 1 1 eingeleitet und dann durch die Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 hindurch am Gasauslass 2 aus der Gasdüse 1 herausgeleitet.
Alternativ ist es denkbar, dass der vordere Spalt 25 in Strömungsrichtung gesehen hinter der Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 liegt, wie aus Figur 1 und 2 hervorgeht. Auf diese Weise wird eine Umkehrströmung des Schutzgasstromes gebildet. Denn der Gasstrom wird durch das Innenrohr 18 in das Innere des Düsenstockeinsatzes 20 eingeleitet, tritt dann in den durch den vorderen Spalt 25 gebildeten Einströmbereich ein und wird in den Strömungsraum 1 1 bis zur Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 weitergeleitet, durch welche es dann bis zum Gasauslass 2 der Gasdüse 1 geleitet wird. Wie Figur 1 zeigt, strömt das Schutzgas demnach zunächst im Inneren des Düsenstockeinsatzes 20 in Richtung des vorderen Endes des Brennerhalses 10 bzw. der Gasdüse 1 . Dann wird das Schutzgas durch den vorderen Einströmbereich quer zur Längsachse 6 des Düsenstocks 3 in den Strömungsraum 1 1 eingeleitet, durch welchen das Schutzgas dann entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Inneren des Düsenstockeinsatzes 20, also nach hinten, strömt, bis es durch die Gasauslassöffnung 8 des Düsenstocks 3 hindurch wieder nach vorne zum Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 geleitet wird, so dass die Umkehrströmung entsteht.
Bei dieser Ausführungsform strömt das Schutzgas im Inneren des Düsenstockeinsatzes 20. Dagegen ist es auch denkbar, dass der Schutzgasstrom alternativ oder zusätzlich auch auf der äußeren Oberfläche 27 des Düsenstockeinsatzes 20 strömt.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass sich die gegenüberliegenden ersten 23 und zweiten Enden 24 entlang der Achse 5 des Düsenstockeinsatzes 20 mit einer Länge zwischen den Enden 23, 24 erstrecken und der Durchmesser des Düsenstockeinsatzes 20 entlang seiner Länge variiert. Insbesondere ist es denkbar, dass der Düsenstockeinsatz 20 an seinem dem Gasaustritt 2 der Gasdüse 1 zugewandtem vorderen Ende 23 einen geringeren Querschnitt gegenüber dem dem Gasaustritt 2 abgewandten hinteren Ende 24 des Düsenstockeinsatzes 20 zur Bildung eines Ringkanals 16 des Strömungsraums 1 1 aufweist. Insbesondere kann die Strömungsrichtung des Schutzgasstroms im Ringkanal 16 wenigstens einmal geändert sein, so dass die Strömungsdauer bzw. der Strömungsweg des Schutzgasstromes innerhalb der Gasdüse 1 verlängert ist.
Der Düsenstockeinsatz 20, die Stromkontaktdüse 17 und der Düsenstock 3 können aus einem leitenden Material aufgebaut sein, insbesondere können sie aus Kupfer oder Kupferlegierungen hergestellt sein. Der Düsenstockeinsatz 20 kann mit der Stromkontaktdüse 17 in Kontakt stehen.
Es ist aber auch denkbar, dass der Düsenstockeinsatz 20 und die
Stromkontaktdüse 17 sich nach der Montage im Brennerhals 10 berühren können, d.h. unm ittelbar aneinandergrenzen. Der Düsenstockeinsatz 20 befindet sich im Düsenstock 3, welcher am Brennerhals 10 befestigt ist.
Der Brennerhals 10 kann in einem Brenner angeordnet sein, welcher wiederum Teil einer Schweißvorrichtung ist.
Bezugszeichenliste
1 Gasdüse
2 Gasaustritt
3 Düsenstock
4 erstes Ende Düsenstock
5 zweites Ende Düsenstock
6 Längsachse Düsenstock
7 Hohlraum Düsenstock
8 Gasauslassöffnung Düsenstock
9 Innenwand Düsenstock
10 Brennerhals
1 1 Strömungsraum
12 Linearspalt
13 Nuten
14 Helixspalt
15 Gewinde
16 Ringkanal
17 Stromkontaktdüse
18 Innenrohr
19 Außenrohr
20 Düsenstockeinsatz
21 innerer Durchgang Düsenstockeinsatz
22 Außenwand Düsenstockeinsatz
23 vorderes Ende Düsenstockeinsatz
24 hinteres Ende Düsenstockeinsatz
25 vorderer Spalt
26 hinterer Spalt
27 äußere Oberfläche Düsenstockeinsatz
28 vorderer Anschlag bzw. Kante des Düsenstocks

Claims

Patentansprüche
1 . Brennerhals (10) zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenfügen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer im Brennerhals (10) angeordneten Elektrode oder einem Draht zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück und mit einer Gasdüse (1 ) zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt (2) der Gasdüse (1 ), mit einem Düsenstock (3), der einen inneren Hohlraum (7) und wenigstens eine Gasauslassöffnung (8) aufweist, welche mit dem Gasaustritt (2) der Gasdüse (1 ) in Fluidverbindung steht und mit einem in dem inneren Hohlraum (7) des Düsenstocks (3) angeordneten Düsenstockeinsatz (20) mit einem vorderen Ende (23) und einem hinteren Ende (24), wobei die Außenwand (22) des Düsenstockeinsatzes (20) zur Bildung eines Strömungsraumes (1 1 ) für den Schutzgasstrom zumindest bereichsweise von der Innenwand (9) des Düsenstocks (3) beabstandet ist und der Strömungsraum (1 1 ) mit der Gasauslassöffnung (8) des Düsenstocks (3) in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass am vorderen Ende (23) und/oder am hinteren Ende (24) des Düsenstockeinsatzes (20) ein durch einen vorderen und/oder hinteren Spalt (25, 26) gebildeter vorderer und/oder hinterer Einströmbereich zum Einleiten des Schutzgases in den Strömungsraum (1 1 ) vorgesehen ist.
2. Brennerhals (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Ende (23) des Düsenstockeinsatzes (20) zu einem vorderen Anschlag (28) des Düsenstocks (3) zur Bildung des durch den vorderen Spalt (25) gebildeten vorderen Einströmbereichs beabstandet ist.
3. Brennerhals (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Ende (24) des Düsenstockeinsatzes (20) zum vorderen Ende eines Innenrohrs (18) des Brennerhalses (10) zur Bildung des durch den hinteren Spalt (26) gebildeten hinteren Einströmbereich beabstandet ist.
4. Brennerhals (10) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Spalt (26) in Strömungsrichtung des Schutzgases gesehen vor der Gasauslassöffnung (8) des Düsenstocks (3) zur Bildung einer linearen Gasströmung liegt.
5. Brennerhals (10) nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Spalt (25) in Strömungsrichtung gesehen hinter der Gasauslassöffnung (8) des Düsenstocks (3) zur Bildung einer Umkehrströmung des Schutzgasstromes liegt.
6. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas auf der äußeren Oberfläche (27) des Düsenstockeinsatzes (20) und/oder im Inneren des Düsenstockeinsatzes (20) strömt.
7. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenstockeinsatz (20) mit dem Düsenstock (3) verbunden, insbesondere eingepresst ist.
8. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsraum (1 1 ) im Wesentlichen wenigstens ein Linearspalt (12) zwischen der Innenwand (9) des Düsenstocks (3) und der Außenwand (22) des Düsenstockeinsatzes (20) ist.
9. Brennerhals (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearspalt (12) durch auf der Außenwand (22) des Düsenstockeinsatzes (20) sich im Wesentlichen in Längsrichtung des Düsenstockeinsatzes (20) erstreckende Nuten (13) gebildet ist, welche vorzugsweise umfangseitig etwa im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind.
10. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsraum (1 1 ) im Wesentlichen durch einen Helixspalt (14) gebildet ist, welcher durch ein sich auf der Außenwand (22) des Düsenstockeinsatzes (20) im Wesentlichen in Längsrichtung erstreckendes Gewinde (15), insbesondere ein Trapezgewinde, gebildet ist.
1 1 . Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die gegenüberliegenden ersten (23) und zweiten Enden (24) des Düsenstockeinsatzes (20) entlang der Achse des Düsenstockeinsatzes (20) mit einer Länge zwischen den Enden (23, 24) erstrecken und der Durchmesser des Düsenstockeinsatzes (20) entlang seiner Länge variiert.
12. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenstockeinsatz (20) an seinem dem Gasaustritt (2) der Gasdüse (1 ) zugewandtem vorderen Ende (23) einen geringeren Querschnitt gegenüber dem dem Gasaustritt (2) abgewandten hinteren Ende (24) des Düsenstockeinsatzes (20) zur Bildung eines Ringkanals (16) des Strömungsraums (1 1 ) aufweist.
13. Brennerhals (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Schutzgasstroms im Ringkanal (16) wenigstens einmal geändert ist, so dass die Strömungsdauer bzw. der Strömungsweg des Schutzgasstromes innerhalb der Gasdüse (1 ) verlängert ist. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenstockeinsatz (20) einen inneren Durchgang (21 ) zur Durchführung einer Elektrode oder eines Drahtes zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode oder dem Draht und dem Werkstück aufweist. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom von einem Innenrohr (18) in den Düsenstockeinsatz (20) strömt. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromkontaktdüse (17) in dem inneren Hohlraum (7) des Düsenstocks (3) derart positioniert ist, dass sie sich in den inneren Hohlraum (7) des Düsenstocks (3) hinein erstreckt und sich vorzugsweise in einer Richtung von dem Düsenstock (3) gegenüber dem Düsenstockeinsatz (20) nach außen erstreckt. Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenstockeinsatz (20), die Stromkontaktdüse (17) und der Düsenstock (3) aus einem leitenden Material aufgebaut sind und der Düsenstockeinsatz (20) vorzugsweise mit der Stromkontaktdüse (17) in Kontakt steht. Brenner mit einem Brennerhals (10) nach einem der vorherigen Ansprüche. Brenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet ,dass der Düsenstockeinsatz (20) axial in einem Hohlraum (7) des Düsenstocks (3) zwischen dem Brennhals (10) und der Stromkontaktdüse (17) angeordnet ist. Schweißvorrichtung mit einem Brenner nach Anspruch 18 oder 19.
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