<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasma-Schweissbrenner gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei bekannten Schweissbrennern ist der Austrittskanal meist zylindrisch ausgebildet. In manchen Fällen weist der Austrittskanal einen ovalen Querschnitt auf. In jedem Fall verlaufen die Erzeugenden der Innenwand des Austrittskanal parallel zueinander und die Elektrode erstreckt sich kaum in den Austrittskanal hinein.
Bei solchen bekannten Schweissbrennern wird die Bündelung, bzw. der Zusammenhalt des Plasmastahles ausschliesslich durch den Austrittskanal erreicht, der aufgrund der hohen Temperaturen des Plasmas entsprechend gut gekühlt werden muss. Da dies bereits bei relativ kleinen Leistungen des Schweissbrenners praktisch nur mit in Kühlkanälen strömendem Wasser zu bewerkstelligen ist, ergeben sich entsprechend klobige Konstruktionen für den Plasma-Schweissbrenner. Damit ergibt sich jedoch der Nachteil, dass mit solchen Brennern an komplizierter geformten Werkstücken, insbesondere nicht an Stellen an denen T-Nähte herzustellen sind gearbeitet werden kann und bereits bei der Konstruktion auf die Schweissung mit solchen Plasmabrennern Rücksicht genommen werden muss.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Schweissbrenner liegt auch darin, dass eben aufgrund der sehr hohen thermischen Belastung des Schweissbrenners keine hohen Leistungen möglich sind und die Schweissbrenner mit nicht mehr als ca. 100A betrieben werden können. Bei grösseren Stromstärken beginnt der Plasmabogen zwischen der Elektrode und der Wand der Kammer Austrittskanals des Schweissbrenners und von dessen freier Stirnseite im Bereich der Mündung des Austrittskanals zum Werkstück zu brennen, was zu einer praktisch sofortigen Zerstörung des Plasmabrenners führt.
Auch kann mit den bekannten Plasma-Schweissbrenners nur mit relativ geringen Schweissgeschwindigkeiten von max. 25mm/sec oder 30mm/sec gearbeitet werden, da sich sonst der Plasmabogen zu stark verbiegt und zu springen beginnt oder überhaupt zerfällt.
Ein weiteres Problem der bekannten Plasma-Schneidbrenner liegt auch in deren relativ grossem Brennfleck, der sich auf den Werkstücken ausbildet. Bedingt ist dies durch den Umstand, dass das aus dem Austrittskanal austretende Plasmagasstrahl an seiner Aussenseite durch die umgebende Luft stark abgebremst wird und sich daher gegen das Werkstück zu aufweitet.
Dadurch werden die Werkstücke in einem grösseren Bereich erhitzt, wodurch es zu einer grösseren thermischen Belastung und damit zu einer Erhöhung der Gefahr des Auftretens von Spannungen im Werkstück und eines Verzugs desselben kommt.
Aus diesem Grund ist es auch erforderlich mit den herkömmlichen Plasma-Schweissbrennern in einem nur geringen Abstand von den Werkstücken zu arbeiten, wodurch aber die Belastung des Brenners steigt und dieser einem hohen Verschleiss ausgesetzt ist.
Durch die FR 2 190 561 A wurde ein Plasmaschweissbrenner der eingangs erwähnten Art bekannt, bei dem ein sich verjüngender Mündungsbereich des Austrittskanals und eine kegelig ausgebildete Elektrodenspitze vorgesehen ist. Bei diesem bekannten Schweissbrenner weist die Innenwand des Mündungsbereiches des Auslasskanals einen deutlich grösseren Kegelwinkel als die Elektrode auf. Dadurch kommt es zu einer sehr erheblichen Verwirbelung des ausströmenden Plasmas und daher zu einer entsprechend grossen Aufweitung desselben und damit zu einem entsprechend grossen Brennfleck auf dem zu bearbeitenden Werkstück mit den oben erläuterten negativen Effekten.
Weiter wurde durch die FR 2 338 105 A ein Brenner bekannt, bei dem die Erzeugenden des Austrittskanals einer gebrochenen Linie folgen. Auch bei dieser Lösung kommt es, auch aufgrund der Kante im Mündungsbereich, zu sehr starken Verwirbelungen des ausströmenden Plasma und damit zu den oben erläuterten negativen Effekten.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Plasma-Schweissbrenner der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, der sich auch für höhere Leistungen eignet und sich durch eine hohe Standzeit auszeichnet.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Brenner der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ergibt sich der Vorteil einer sehr guten Führung des Plasmagasstrahles, wobei sich dieser aufgrund der Verminderung des freien Querschnittes zwischen der Elektrode und der Wand des Austrittskanals gegen die Mündung desselben zu
<Desc/Clms Page number 2>
beschleunigt, wodurch sich eine sehr gute Führung, bzw. Einschnürung des Plasmastrahls ergibt und daher nur ein sehr kleiner Brennfleck auf dem zu bearbeitenden Werkstück ergibt.
Bei einem erfindungsgemässen Plasma-Schweissbrenner kommt es auch zu keiner Berührung des Plasmas mit der Wand des Austrittskanals und daher auch nicht zu einer mit den Verhältnissen, wie sie bei den bekannten Plasma-Schweissbrennern, bei denen die Elektrode innerhalb des Austrittskanals endet, gegeben sind, vergleichbaren thermischen Belastung des Brenners. Dadurch ergibt sich auch ein wesentliche geringerer Verschleiss und es ist auch möglich die Brenner mit einer höheren Strombelastung, z. B. mit 1000A zu betreiben.
Ausserdem kann auch in vielen Fällen, z. B. wenn im Impulsbetrieb gearbeitet wird, wie dies z. B. bei Überkopf-Schweissungen oder bei manchen Stahlsorten erforderlich ist, auf eine bei herkömmlichen Schweissbrennern auch in solchen Fällen unbedingt erforderliche Wasserkühlung des Schweissbrenners verzichtet werden und mit der Kühlung durch das in die Kammer einströmende Plasmagas des Auslange gefunden werden.
Aber auch bei einem Betrieb des erfindungsgemässen Schweissbrenners mit Flow - Plasma, d. h. mit kontinuierlich strömendem Plasma, ist die thermische Belastung, verglichen mit jener herkömmlicher Schweissbrenner, wesentlich geringer, sodass auch der Aufwand für die Wasserkühlung drastisch reduziert und daher auch die Schweissbrenner selbst wesentlich kleiner gebaut werden können. Dadurch kann mit den erfindungsgemässen Schweissbrennern auch an Stellen gearbeitet werden, die für die herkömmlichen Plasma-Schweissbrenner, aufgrund deren durch die Kühlung bedingten Grösse unzugänglich waren.
Durch die Vermeidung einer Aufweitung des Plasmastrahls, wie sie bei den bisherigen Schweissbrennern aufgetreten ist und den Umstand, dass der Plasmastrahl den Schweissbrenner nicht berührt, kann auch mit wesentlich höheren Schweissgeschwindigkeiten von 300mm/sec und mehr gearbeitet werden, ohne dass es zu einem Springen des Plasmas am Werkstück kommt. Dabei kann auch eine stechende Arbeitslage des erfindungsgemässen Schweissbrenners vorgesehen sein.
Ausserdem ist bei den erfindungsgemässen Schweissbrennern der Abstand zwischen der Mündung des Austrittskanals und den Werkstücken, der bei den bekannten Brennern sehr genau auf meist 2, 5mm bis 3mm eingestellt werden musste, unkritisch und kann auch zwischen z. B. 2mm und 6mm schwanken. Dadurch kann auch der Aufwand bei Zurichten und Einrichten der zu schweissenden Werkstücke wesentlich vermindert werden.
Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich durch die Merkmale des Anspruches 2.
Um ein lange Standzeit der Elektrode zu erreichen, ist es zweckmässig die Merkmale des Anspruches 3 vorzusehen.
Durch diese Massnahmen ergibt sich ein sehr stabiler Fusspunkt des Lichtbogens an der Elektrode und es kann von diesem die Wärme gut abgeführt werden. Dadurch ergibt sich ein nur geringer Verschleiss der Elektrode.
EMI2.1
Fig. 2 einen Schnitt durch die Kühlmittelkammer,
Fig. 3 einen Schnitt durch die Zentrierhülse, und
Fig. 4 schematisch einen erfindungsgemässen Plasma-Schneidbrenner mit einem Werkstück.
Beim Plasma-Schweissbrenner 11'ist ein Halteteil 18'einer Elektrode 19'durch eine Spannzange gebildet, die aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellt ist. Diese Spannzange ist in üblicher Weise in einem Aufnehmer 44 gehalten, der in einen Kontaktteil 45 eingeschraubt ist.
Dieser Kontaktteil 45 ist mit einer Kühlmittelkammer 46 versehen, die über einen radialen Kanal 47 mit einer Anschlussöffnung 48 verbunden ist. Dabei fluchtet diese Anschlussöffnung 48 bei in einem nicht dargestellten Halter montiertem Plasma-Schweissbrenner 11'mit Kontaktstiften.
Zum Spannen und Lösen der Spannzange 18'ist eine Spannmutter 49 vorgesehen, die über zwei Dichtungen 50 an der oberen Stimfläche der Aufnahme 44 abgestützt ist, wodurch ein Austritt von Kühlflüssigkeit vermieden wird, wobei die Aufnahme 44 zur Abdichtung der Küh) mitte ! kammer 46 ebenfalls über eine Dichtung 51 an dem Kontaktteil 45 abgestützt ist.
Zur weiteren Abdichtung der Kühlmittelkammer des Kontaktteiles 45 ist ein O-Ring 52 vorgesehen, der in einer Nut einer Bohrung 53 eingesetzt ist, die von der Aufnahme 44 durchsetzt
<Desc/Clms Page number 3>
'''L.
Zur Sicherung der axialen Einstellung der Elektrode 19'beim Spannen der Spannzange 18'ist die Spannmutter 49 mit einer durchgehenden Gewindebohrung 90 versehen, in ein Anschlag 91 eingeschraubt ist, der in die Spannzange 18'eingreift. Dieser Anschlag 91 weist einen glatten Kopf
94 auf, in dem eine umlaufende Nut zur Aufnahme eines O-Ringes 95 eingearbeitet ist, der zur Abdichtung des Inneren der Spannzange 18'dient.
Zur Sicherung der Lage des Anschlages 91, der mittels eines in den stirnseitigen Schlitz 93 eingesetzten Schraubendrehers einstellbar ist, Ist eine Kontramutter 92 vorgesehen, die gleichzeitig für eine drehfeste Verbindung zwischen dem Anschlag 91, an dem die Elektrode 19' anliegt, und der Spannmutter 49 sorgt.
Durch den Anschlag 91 ist sichergestellt, dass beim Spannen der Spannzange die Elektrode 19' von der Spannzange 18'nicht mehr gegenüber einem für verschiedene Anwendungen als Anode verwendbaren Mündungsteil 15'axial bewegt werden kann, da die Spannmutter 49 an der Stirnfläche des Kontaktteiles 45 anliegt und der Mündungsteil 15'gegenüber dieser festgelegt ist.
Der Kontaktteil 45, der zur Kontaktierung der Elektrode 19'dient, liegt unter Zwischenlage einer Dichtung 54 auf einem Zwischenteil 55, der aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B.
Keramik, hergestellt ist. Dieser Zwischenteil 55 bestimmt die Kammer 27'die über einen radialen Kanal 56 mit einer Anschlussöffnung 57 verbunden ist.
Dabei sind die radialen Kanäle 47 und 56 mit umlaufenden Nuten 58 versehen, in denen O-Ringe 59 angeordnet sind. Diese dienen zur Abdichtung des in diese Kanäle eingreifenden nicht dargestellten Kontaktstiftes bzw. einer Gaszuführleitung 3'zur Zufuhr eines Plasmagases, z. B.
Argon, Helium, Wasserstoff usw..
In der Kammer 27'ist ein Verteilring 59'angeordnet, der mit über den Umfang verteilt angeordnete Bohrungen 60 versehen, deren Durchmesser sich in beiden Drehrichtungen mit grösser werdendem Winkel zum dem radialen Kanal 56 vergrössert. Dabei bildet eine axiale Bohrung des Verteilringes 159 eine Kammer 96, die von der Elektrode 19'durchsetzt ist. Dabei verbleibt zwischen der Innenwand des Zwischenteiles 55 und dem Verteilring 59 ein Ringraum 61, in den über einen Einlasskanal 48'Gas einbringbar ist.
Der Zwischenteil 55 ist über eine Dichtung 62 auf einem weiteren Kontaktteil 63 abgestützt, der zur Kontaktierung des Mündungsteiles 15'dient, wenn dieser als Anode verwendet wird, z. B. wenn der Plasmabrenner zum OberflächenhÅarten verwendet wird. In diesen weiteren Kontaktteil 63 ist eine Spannhülse 64 in ein Innengewinde 65 eingeschraubt, wobei eine Dichtung 66 zwischen dem Kontaktteil63 und der Stirnfläche der Spannhülse 64 zwischengelegt ist.
Die Spannhülse 64 weist im Bereich ihres einen Endes eine konische Anlagefläche 67 auf, an der eine gegengleiche kegelige Mantelfläche 68 eines Kopfes 69 eines Mündungsteiles 15'anliegt, die ebenso wie die Spannhülse 64 und der weitere Kontaktteil 63 aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellt ist.
Der Mündungsteil 15 liegt mit seinem vom Kopf 69 abgekehrten Ende mit einem weiteren Kopf 70 auf, der unter Zwischenlage einer Dichtung 71 an einer Schulter des weiteren Kontaktteiles 63 anliegt. Dabei durchsetzt der Mündungsteil 15'eine Kühlmittelkammer 46 des weiteren Kontaktteiles 63.
Der Mündungsteil 15'ist in axialer Richtung durchbohrt, wobei in diese Bohrung 72 eine Hülse 73 aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Keramik, hergestellt ist und von der Elektrode 19'durchsetzt ist. Dabei verbleibt zwischen der Innenwand der Hülse 73 und der Elektrode 19 ein Ringraum der als Austrittskanal 97 für das in die Kammer 96 eingeleitete Plasmagas, z. B. Argon, Helium, Wasserstoff usw. dient.
Weiters ist in der Bohrung 72 im der Mündung des Mündungsteiles 15'nahen Bereich eine Zentrierhülse 74 eingesetzt, die in der Fig. 3 näher dargestellt ist und deren an Führungsrippen 89 vorgesehenen Führungsflächen 75 an der Mantelfläche der Elektrode 19'anliegen.
Der Mündungsteil 15'weist, wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist radial abstehende Leitrippen 76 auf, die sich, wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, von dem einen sechseckigen Querschnitt aufweisenden Mündungsteil 15'bis zur Innenwand der Spannhülse 64 erstrecken und senkrecht zur Achse des radialen Kanals 47 stehen. Dabei erstrecken sich die Leitrippen 76 vom Kopf 70 weg gegen den Kopf 69 des Mündungsteiles 15', wobei jedoch zwischen dem Kopf 69 und den Leitrippen 76 ein Strömungsweg 77 verbleibt.
<Desc/Clms Page number 4>
Dadurch wird die Kühlmittelkammer 46, die einerseits vom weiteren Kontaktteil 63 und der Spannhülse 64 begrenzt wird, durch die Leitrippen 76 unterteilt.
Die beiden Kühlmittelkammern 46 des Kontaktteiles 45 und des weiteren Kontaktteiles 63 sind über einen Überströmkanal 70 miteinander verbunden.
Dieser Überströmkanal 78 setzt sich im wesentlichen aus axialen Bohrungen 79 in dem Kontaktteil 45, bzw. dem weiteren Kontaktteil 63 und radialen, zu den radialen Kanälen 47 koaxialen Bohrungen 80 gebildet ist, die in die axialen Bohrungen 79 münden. Dabei ist der Zwischenteil 55 mit einer mit den axialen Bohrungen 79 fluchtenden Bohrung 81 versehen.
Dabei sind im Bereich der Bohrung 81 des Zwischenteiles 55 Dichtungen 82 vorgesehen.
Die beiden Kontaktteile 45 und 63 sind von Ringen 84 aus einem elektrisch isolierten Material umgeben, bzw. diese sitzen auf Krägen 85 auf.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich verläuft im Mündungsbereich 98 des Mündungsteiles 15'die Innenwand 99 im wesentlichen parallel zum kegeligen Endbereich der Elektrode 19'. Durch ergibt sich in diesem Bereich eine kegelige Gestalt des Austrittskanals 97.
Weiters ergibt sich, dass die Spitze der Elektrode 19', die wie aus der Fig. 4 zu ersehen ist an ihren freien Ende abgeflacht ist, aus der freien Stirnseite des MOndungsteiles 15'vorragt.
Die Elektrode 19'ist an ihren beiden Enden kegelig ausgebildet.
Die beiden Kontaktteile 45 und 63 und der Zwischenteil 55 sind nicht dargestellter Schrauben miteinander verbunden und stellen die Verbindungsteile dar, durch die ein modularer Aufbau des Plasma-Schweissbrenners 11'sichergestellt ist.
Sobald die Elektrode 19'abgenutzt ist, so kann der als Modul ausgebildete PlasmaSchweissbrenner 11'durch Lösen der Spannschraube 88 und Öffnen der Rohrschelle 40 ausgebaut werden, wonach die Spannmutter 49 gelöst und die Elektrode 19'aus der Spannzange entnommen werden kann. Anschliessend kann die Elektrode gewendet, oder deren kegelige Enden nachgeschliffen werden. Anschliessend kann die Elektrode in Bezug auf den Mündungsteil 15' mittels einer Lehre eingestellt wird. Anschliessend wird der Anschlag 91 bei geöffneter Spannzange 18'eingestellt und danach die Elektrode 19'mittels der Spannmutter 49 in der Spannzange 18' wieder fixiert, wonach der Modul 11'wieder montiert werden kann.
Beim Betrieb wird Gas, z. B. Helium, Argon, Wasserstoff od. dgl. in die Kammer 27'eingeblasen und ein Lichtbogen zwischen der Elektrode 19'und dem Werkstück 83, das ebenso wie die Elektrode 19'an eine nicht dargestellte Gleichstromquelle angeschossen ist, gezündet. In Verbindung mit dem aus einer am Ende des Austrittskanals 97 vorgesehenen Düsenöffnung 16' bildet sich zwischen der Spitze der Elektrode 19', die wie aus der Fig. 4 zu ersehen ist, abgeflacht ist, und dem Werkstück ein Plasmastrahl aus, mit dem zwei Werkstücke verschweisst werden können.
Da das Plasmagas aus dem Austrittskanal 97 in Form eines Kegelmantel austritt wirkt dieser kegelmantelförmige Gasstrahl einschnüren auf das Plasma und führt dieses, wodurch auf dem Werkstück 83 nur ein kleiner Brennfleck entsteht und daher die thermische Belastung der unmittelbaren Umgebung der herzustellenden Schweissnaht gering bleibt.
Da der Lichtbogen, bzw. das Plasma nur zwischen der abgeflachten und aus der Ebene der Stirnseite des MOndungsteiles 15'herausragenden Spitze der Elektrode 19', die bei den meisten Schweissanwendungen als Elektrode geschaltet ist, brennt, kommt es zu keiner direkten Belastung des Mündungsteiles 15'durch das Plasma, so dass sich eine, verglichen mit den herkömmlichen Plasma-Schweissbrennern, bei denen der Mündungsteil auch zur Führung des Plasmas dient, zu einer erheblich geringeren thermischen Belastung dieses Teiles.
Ausserdem kann der Abstand zwischen der freien Stirnseite des Mündungsteiles 15'und dem Werkstück 83 in weiten Grenzen schwanken und erheblich grösser gewählt werden, als dies bei den bisherigen Plasma-Schweissbrennern möglich war und kann z. B. 2mm bis 6mm betragen.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.