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Die
Erfindung betrifft ein Schweißbrennerelement
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und jeweils damit versehen eine Bauteilkombination,
einen Schweißbrenner
und ein Schweißsystem.
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Die
GB 816,632 zeigt einen Schweißbrenner mit
einem Schweißbrennerelement,
welches eine Durchgangsöffnung
zur Aufnahme einer Elektrode, einen ersten, durch Längsschlitze
gebildeten Spannabschnitt zum Einspannen der Elektrode und einen zweiten
Abschnitt aufweist, welcher an seinem Außenumfang Längsnuten aufweist. Gas kann
durch die Längsschlitze
hindurch zu einem Außenumfangsabschnitt
des Schweißbrennerelements
und von dort durch die Längsnuten
hindurch gegen eine Prallfläche
und dann zu einem Auslass des Schweißbrenners strömen.
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Die
nachveröffentlichte
EP 1 291 112 A1 zeigt
einen Schweißbrenner
mit einem Schweißbrennerelement,
wobei Gas von einem Außenumfangsabschnitt
des Schweißbrennerelements
zu Längsschlitzen
des Schweißbrennerelements
und dann in Längsrichtung
durch diese Längsschlitze
hindurch zu einem Schweißbrennerauslass
strömen
kann. Die Längsschlitze
sind zwischen Spannfinger zum Festklemmen einer Elektrode gebildet.
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TIG-(Wolfram-Inertgas,
engl.: "Wolfram
Inert Gas")-Schweißen (auch
bekannt als Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen, engl.: "gas tungsten arc welding", GTAW oder HELIARC)
ist ein Lichtbogenschweißverfahren,
bei welchem ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer zylindrischen
Metallelektrode und einem metallischen Objekt aufrechterhalten wird.
Die durch den Lichtbogen erzeugte Wärme bewirkt lokalisiertes Schmelzen
des metallischen Objektes. Die Elektrode, im Allgemeinen aus Wolfram, ist
an einem Brenner befestigt, um es einem Anwender zu ermöglichen,
die Elektrode auszurichten und den Kontaktpunkt zwischen der Elektrode
und dem Objekt zu etablieren. TIG-Schweißen kann mit oder ohne den
Zusatz eines Füller-Metalls
ausgeführt
werden. Im Allgemeinen sind das Schweißbad und der Umgebungsbereich
des Schweißbades
von der Atmosphäre
durch ein Inertgas geschützt.
Das Inertgas verhindert ein schnelles Oxidieren der Schweißstelle und
des sie umgebenden Metalls.
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Die
Elektrizität
für den
Schweißprozeß wird durch
eine Stromquelle über
ein an den Brenner gekoppeltes Schweißkabel bereitgestellt. Im Allgemeinen
ist die Stromquelle eine Konstantspannungs-AC (Wechselstrom), -DC
(Gleichstrom), oder eine kombinierte AC/DC-Quelle. Außerdem ist
ein TIG-Schweißkabel
im Allgemeinen dazu angepaßt, das
Inertgas zu dem Brenner zu befördern.
Darüberhinaus
erzeugt der TIG-Schweißprozeß im Allgemeinen
eine wesentliche Menge an Wärme
in der Elektrode. Es kann daher eine Kühlflüssigkeit verwendet werden,
um den Brenner zu kühlen.
Ein Schweißkabel
für ein
TIG-Schweißsystem
kann daher Elektrizität,
Gas und Kühlflüssigkeit
befördern.
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Die
Elektroden, die beim TIG-Schweißen verwendet
werden, sind im Allgemeinen als lange, zylindrische Metallstäbe ausgebildet.
Eine typische TIG-Schweißelektrode
kann an einem TIG-Schweißbrenner
durch eine Zwinge, ein Endkappe und eine Gaslinse befestigt werden.
Gaslinsen sind dazu angepaßt,
eine bessere Gasflußcharakteristik
als Zwingenkörper
bereitzustellen, welche eine weitere, zum Befestigen von Elektroden
an einem TIG-Schweißbrenner
verwendete Vorrichtung darstellen. Gaslinsen weisen im Allgemeinen
Schirme auf, die hierin zur Verfügung
gestellt werden, um den Gasfluß durch die
Gaslinse zu verlangsamen und zu glätten. Um die Elektrode an den
Schweißbrenner
zu befestigen, wird die Elektrode durch die Zwinge und die Gaslinse eingesetzt.
Die Gaslinse ist in einen Vorderabschnitt eines mit Gewinde versehenen
Brennerkopfes geschraubt, welcher innerhalb des Brennerkörpers angeordnet
ist. Die Endkappe ist auf den hinteren Abschnitt des Brennerkopfes
aufgeschraubt. Wenn die Endkappe auf den Brennerkopf aufgeschraubt
wird, treibt die Endkappe die Zwinge gegen das Innere der Gaslinse.
Die Zwinge ist hierzu dahingehend ausgebildet, daß sie auf
die Elektrode preßt,
wenn die Zwinge gegen eine innere Fläche der Gaslinse getrieben
wird, wodurch sie die Elektrode an dem Brenner befestigt. Darüberhinaus
ist eine typische Gaslinse dazu angepaßt, Gasfluß durch die Gaslinse zu ermöglichen.
Um das Gas von der Gaslinse zu dem zu schweißenden Objekt zu leiten, kann
eine Düse
verwendet werden.
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Mit
der Verwendung von konventionellen Zwingen und Gaslinsen zum Befestigen
einer Elektrode an einem Schweißbrenner
geht eine Anzahl von Problemen einher. Ein Problem ist, daß die Zwinge
und Gaslinse während
des Einsetzens der Elektrode fehlausgerichtet werden können. Die
Fehlausrichtung kann einen ungleichförmigen Gasfluß durch die
Gaslinse bewirken. Darüberhinaus
ist eine typische Zwinge klein und kann während des Einsetzens leicht
fallengelassen werden, insbesondere bei Wind. Darüberhinaus
gibt es für
jeden Elektrodendurchmesser eine geeignete Zwinge und Gaslinse.
Daher muß durch
einen Anwender für
jedes Einsetzen einer Elektrode sowohl die richtige Zwinge als auch
die richtige Gaslinse ausgewählt
werden, was es schwieriger macht, Elektroden in den Schweißbrenner
einzusetzen, insbesondere beim Auswechseln einer Elektrode mit einer
Elektrode eines abweichenden Durchmessers.
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Es
existiert ein Bedürfnis
für ein
Verfahren, welches es ermöglicht,
eine Elektrode leichter in einen Schweißbrenner einzusetzen, als mit
einer separaten Zwinge und Gaslinse. Insbesondere existiert ein
Bedürfnis
für ein
System, welches es ermöglicht, eine
Elektrode mit weniger Teilen an einem Schweißbrenner zu befestigen und
welches nicht für
jeden Elektrodendurchmesser mehrere Teile benötigt. Darüberhinaus existiert ein Bedürfnis für eine Vorrichtung,
welche eine Elektrode an einem Schweißbrenner befestigt und einen
konsistenten Schutzgasfluß bereitstellt.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale von Anspruch 1 sowie der Ansprüche 13, 18 und 20 gelöst.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
oben genannten und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden
durch Lesen der folgenden, detaillierten Beschreibung und durch
Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich werden, in denen:
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1 ein
Schweißsystem,
entsprechend einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, ist;
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2 eine
Explosionsansicht eines Schweißbrenners,
entsprechend einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, ist;
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3 eine
Ansicht einer integralen Gaslinse/Zwinge, entsprechend einer exemplarischen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, ist;
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3A eine
Endansicht eines Endes der integralen Gaslinse/Zwinge aus 3 ist;
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4 eine
Explosionsansicht ist, welche die Orientierung der integralen Gaslinse/Zwinge
und Endkappe in Bezug auf einen mit Gewinde versehenen Teil des
Schweißbrenners
darstellt; und
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5 und 6 Detaillansichten
sind, welche das Halten einer Elektrode durch das Zusammenwirken
von der integralen Gaslinse/Zwinge und der Endkappe darstellen,
entsprechend einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
SPEZIELLER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Allgemein
bezugnehmend auf 1 ist ein TIG-Schweißsystem
dargestellt, welches allgemein durch Bezugszeichen 10 repräsentiert
wird. Allerdings kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen
Schweißsystemen,
welche zylindrische Metallelektroden verwenden, verwendet werden.
Das TIG-Schweißsystem 10 umfaßt eine
Stromversorgung 12, einen TIG-Schweiß brenner 14, ein Schweißkabel 16,
und ein Rückführungskabel 18. Die
Stromversorgung 12 kann eine Konstantspannungs-AC (Wechselstrom),
-DC (Gleichstrom), eine kombinierte AC/DC-Quelle sein oder irgendeine andere Art
von Stromversorgung. Das Schweißkabel 16 kuppelt
den Schweißbrenner 14 elektrisch
mit einem Anschluß der
Stromversorgung 12. Das Rückführungskabel 18 ist
an einen zweiten Anschluß der Stromversorgung 12 angeschlossen.
In der dargestellten Ausführungsform
weist das Rückführungskabel 18 eine
Klemme 20 auf, welche dazu angepaßt ist, das Rückführungskabel 18 an
einem zu schweißenden
Werkstück 22 zu
befestigen und elektrisch zu kuppeln. Der Schweißbrenner 14 ist dazu
angepaßt, eine
Elektrode 24 aufzunehmen. Wenn die Elektrode 24 in
die Nähe
des zu schweißenden
Materials 22 kommt oder dieses berührt, wird ein elektrischer Stromkreis
von einem Anschluß der
Stromversorgung 12, durch das Schweißkabel 16, die Elektrode 24,
das Werkstück 22,
die Werkstücksklemme 20 und
das Rückführungskabel 18 zu
einem zweiten Anschluß der
Stromversorgung 12 geschlossen.
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In
der dargestellten Ausführungsform
wird zusätzlich
zu Elektrizität
Gas von einer Gasquelle an den Brenner 14 angekoppelt.
In der dargestellten Ausführungsform
ist die Gasquelle ein Gaszylinder 26, welcher an die Stromversorgung 12 angeschlossen
ist. In der dargestellten Ausführungsform
wird das Gas von der Stromversorgung 12 zu dem Brenner 14 durch
das Schweißkabel 16 übertragen.
In dieser Ausführungsform
weist die Stromversorgung 12 mehrere Steuerungselemente 28 auf,
welche es einem Anwender ermöglichen,
verschiedene Arbeitsparameter der Stromversorgung 12 zu
steuern bzw. einzustellen, wie beispielsweise die Ausgangsstromstärke.
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In
der dargestellten Ausführungsform
weist der Schweißbrenner 14 ein
Handstück 30 auf,
welches dazu angepaßt
ist, das Schweißkabel 16 aufzunehmen.
Das Handstück 30 ist
außerdem
dazu angepaßt,
durch einen Anwender gehalten zu werden, um den Betrieb des Brenners 14 zu
führen.
Der Schweißbrenner 14 weist
außerdem
einen Brennerkörper 32 auf,
welcher dazu angepaßt
ist, die Elektrode 24 zu halten und das Inertgas auf das
Werkstück 22 zu
lenken. In dieser Ausführungsform
weist der Brenner 14 außerdem eine Endkappe 34 auf,
um das Ende des Brennerkörpers 32 am
der Elektrode 24 abgewandten Ende zu verschließen, so
daß das
Gas nicht aus dem Brennerkörper 32 herausleckt.
Verschiedene Längen
von Endkappen können
verwendet werden, um es dem Brennerkörper zu ermöglichen, Elektroden von verschiedenen
Längen
aufzunehmen. Ferner ist am vorderen Ende des Schweißbrenners 14 eine
Düse 36 befestigt,
um Gas auf das Werkstück 22 zu
lenken.
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Allgemein
bezugnehmend auf 2, ist eine Explosionsansicht
des Schweißbrenners 14 dargestellt.
In der dargestellten Ausführungsform
ist ein Isolator 36 zur elektrischen Isolation vorgesehen. Ferner
wird eine integrale, vorzugsweise einteilige, Gaslinse/Zwinge 40 bereitgestellt,
um die Elektrode 24 an dem Brennerkörper 32 zu befestigen.
Die integrale Gaslinse/Zwinge 40 weist einen ersten, mit
Gewinde versehenen Abschnitt 42 und einen zweiten mit Gewinde
versehen Abschnitt 44 auf. Der erste mit Gewinde versehene
Abschnitt 42 ist dazu angepaßt, die integrale Gaslinse/Zwinge 40 an
dem Brennerkörper 32 zu
befestigen. Der zweite mit Gewinde versehene Abschnitt 44 ist
dazu angepaßt,
die Düse 36, oder
ein anderes Element an der integralen Gaslinse/Zwinge 40 zu
befestigen. Die integrale Gaslinse/Zwinge 40 ist an dem
Vorderende des Brennerkörpers 32 befestigt
und die Endkappe 34 ist an dem hinteren Ende des Brennerkörpers 32 befestigt.
Der Brennerkörper 32 ermöglicht eine
Relativbewegung zwischen der integralen Gaslinse/Zwinge 40 und dem
hinteren Ende 34. Die integrale Gaslinse/Zwinge 40 kooperiert
mit dem Brennerkörper 32 und
dem hinteren Ende 34, um eine klemmende Kraft auf die Elektrode 24 auszuüben. Die
Düse 36 wird über der integralen
Gaslinse/Zwinge 40 angeordnet.
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Allgemein
bezugnehmend auf 3 und 3A, weist
die integrale Gaslinse/Zwinge 40 eine innere Kammer 46 auf,
welche es der Elektrode 24 ermöglicht, sich durch die integrale
Gaslinse/Zwinge 40 zu erstrecken. Gas 47 fließt ebenfalls
durch einen Abschnitt der Kammer 46. Die integrale Gaslinse/Zwinge 40 weist
einen rohrförmigen
Abschnitt 48 auf, welcher einer Zwinge ähnlich ist und sich in den Brennerkörper 32 hinein
erstreckt, wenn die integrale Gaslinse/Zwinge 40 an dem
Brennerkörper 32 befestigt
wird. In der dargestellten Ausführungsform
weist der rohrförmige
Abschnitt 48 der integralen Gaslinse/Zwinge 40 vier
Schlitze 50 auf, welche in 90° Intervallen um den Umfang des
rohrförmigen
Abschnitts 48 herum angeordnet sind. Die Schlitze 50 erlauben es
dem rohrförmigen
Abschnitt 48, zusammengepreßt zu werden. In dieser Ausführungsform
weist jeder Schlitz 50 eine Eintrittsöffnung 52 zum Eintritt
von Gas in das Innere der integralen Gaslinse/Zwinge 40 auf.
Der rohrförmige
Abschnitt 48 weist außerdem eine
konische Endfläche 54 auf.
Die kegelförmige Endfläche 54 ist
dazu angepaßt,
mit der Endkappe 34 zusammenzuwirken, um den rohrförmigen Abschnitt 48 zusammenzupressen.
Der rohrförmige
Abschnitt 48 ist an der Innenseite des rohrförmigen Abschnitts 48 mit
einer Klemmfläche 56 versehen.
Die Klemmfläche 56 ist
eine Verengung in der Kammer 46, welche es dem rohrförmigen Abschnitt 48 erlaubt, die
Elektrode 24 zu halten, wenn der rohrförmige Abschnitt 48 zusammengepreßt wird.
Die Eintrittsöffnungen 52 erlauben
dem Gas 47 in die Kammer 46 der integralen Gaslinse/Zwinge 40 einzutreten,
nachdem die Klemmfläche 56 gegen
die Elektrode 24 gepreßt
wurde.
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In
der dargestellten Ausführungsform
weist die integrale Gaslinse/Zwinge 40 außerdem sechs Flußkammern 57 auf,
die von der inneren Kammer 46 aus auseinanderdivergieren
und zu sechs Austrittsöffnungen 58 führen. Die
Flußkammern 57 und
Austrittsöffnungen 58 sind
radial um die Elektrode 24 herum angeordnet, während sie
sich durch das Zentrum der integralen Gaslinse/Zwinge 40 erstreckt.
In einem Zwingenkörper
kann das Gas gezwungen sein, mehrere abrupte Richtungswechsel auszuführen, während das
Gas ihn durchströmt.
Jedoch sind in der integralen Gaslinse/Zwinge 40 die Flußkammern 57 so
ausgebildet, dass sie von der Hauptkammer 46 ausgehend
unter einem spitzen Winkel auseinanderdivergieren, bevorzugterweise
mit einem Winkel von ungefähr
10°. Zusätzlich sind
bei der dargestellten Ausführungsform
mehrere Hindernisse 59 (Siebe, Filter) benachbart zu den
Austrittsöffnungen 58 angeordnet,
um die Geschwindigkeit des die Gaslinse/Zwinge 40 verlassenden
Gases 47 zu reduzieren, und um gemeinsam mit dem kleinen
Winkel der Flußkammern 57 die
Flußcharakteristiken
des Schutzgases 47 zu verbessern. Das Gas 47 strömt von der
integralen Gaslinse/Zwinge 40 durch die Düse 36 auf das
Werkstück 22 zu.
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Allgemein
bezugnehmend auf 4, weist der Brennerkörper 32 einen
innen mit Gewinde versehenen Brennerkopf 60 auf. Der Brennerkopf 60 hat an
einem Ende einen ersten mit Gewinde versehenen Abschnitt 62 zum
Anschrauben der integralen Gaslinse/Zwinge 40 und einen
zweiten mit Gewinde versehenen Abschnitt 64 zum Anschrauben
der Endkappe 34 an dem Brennerkopf 60. Der Brennerkörper 32 weist
außerdem
eine isolierende Schicht 65 auf, welche über den
Brennerkopf 60 und dem größten Teil des Brennerkörpers 32 angeordnet
ist, um den Brennerkörper 32 elektrisch
zu isolieren. Ferner hat der Brennerkopf 60 eine Öffnung 66,
um zu ermöglichen,
daß Gas
durch den Brennerkörper 32 strömt. Die
Elektrode 24 kann durch die integrale Gaslinse/Zwinge 40 hindurch
angeordnet werden, entweder bevor oder nachdem die integrale Gaslinse/Zwinge 40 an
dem Brennerkopf 60 befestigt wurde. Ferner können eine
Elektrode 24 und eine integrale Gaslinse/Zwinge 40 zusammen
in Form einer Bausatzkombination bereitgestellt werden, wobei die
Elektrode vorkonfiguriert durch die integrale Gaslinse/Zwinge 40 verläuft. Die
integrale Gaslinse/Zwinge 40 kann dazu augebildet sein,
um durch Anwendung von Reibung zwischen der Elektrode und der integralen
Gaslinse/Zwinge 40 die Elektrode festzuhalten, welche durch
die integrale Gaslinse/Zwinge 40 hindurch positioniert
ist.
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Wie
am besten in den 5 und 6 dargestellt,
wirken die Endkappe 34 und integrale Gaslinse/Zwinge 40 zusammen,
um die Elektrode 24 an dem Brennerkopf 60 zu befestigen.
In der dargestellten Ausführungsform
sind die integrale Gaslinse/Zwinge 40 und die Elektrode 24 fixiert
und die Endkappe 34 wird auf die integrale Gaslinse/Zwinge 40 zu
bewegt, um die Elektrode 24 zu befestigen. Jedoch könnte stattdessen
die Endkappe 34 fixiert und die integrale Gaslinse/Zwinge 40 auf
die Endkappe 34 zu bewegt werden, um die Elektrode 24 zu
befestigen. In der dargestellten Ausführungsform weist die Endkappe 34 eine
Lippe 68 auf, welche sich um den inneren Umfang der Endkappe 34 herum
erstreckt. Während
die Endkappe 34 im Uhrzeigersinn gedreht ist, wird die
Endkappe 34 auf die integrale Gaslinse/Zwinge 40 zu
getrieben, wie dies durch einen Pfeil 70 dargestellt ist.
Schließlich
kontaktiert die Lippe 68 die konische Endfläche 54 der
integralen Gaslinse/Zwinge 40. Während die Endkappe 34 weiter
auf die integrale Gaslinse/Zwinge 40 zu getrieben wird, drängt die
Lippe 68 der Endkappe die konische Endfläche 54 nach
innen, was bewirkt, daß der
rohrförmige
Abschnitt 48 zusammengepreßt wird, wie dies durch Pfeile 72 dargestellt
ist. Während
der rohrförmige
Abschnitt 48 zusammengepreßt wird, wird die Klemmfläche 56 der
integralen Gaslinse/Zwinge 40 gegen die Elektrode 24 getrieben.
Die zwischen der Klemmfläche 56 und
der Elektrode 24 erzeugte Reibung befestigt die Elektrode 24 an
der integralen Gaslinse/Zwinge 40 und dadurch an dem Brennerkörper 32.
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Die
oben beschriebenen Verfahren ermöglichen
es, eine Elektrode in einem Schweißbrenner in einer einfacheren
Art und Weise und mit weniger Teilen als bei herkömmlichen
Verfahren zu befestigen, weil keine separate Zwinge und Gaslinse
verwendet werden. Darüberhinaus
ermöglichen
die oben beschriebenen Verfahren es, eine Elektrode an einem Schweißbrenner
in einer präziser
konzentrischen Orientierung zu befestigen, weil der die Elektrode während des
Zusammenbaus haltende Teil, d. h. die integrale bzw. Gaslinse/Zwinge
direkt an dem Brennerkörper
befestigt ist. Die präziser
konzentrische Orientierung der Elektrode erzeugt einen präziser abschirmenden
Gasfluß durch
den Schweißbrenner. Ferner
können
eine Elektrode und eine integrale Gaslinse/Zwinge vorkonfiguriert
kombiniert werden, um es einem Anwender zu ermöglichen, schnell eine Elektrode
und eine integrale Gaslinse/Zwinge zu ersetzen.