DE3930267C2 - Schutzgasplasmabrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schutzgasplasmabrenner für die Pul­ verauftragsschweißung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Schutzgasplasmabrenner der eingangs genannten Art sind bspw. nach der DAS 18 06 858 bekannt. Mit einem solchen Schutzgas­ plasmabrenner sind allerdings Pulverauftragsschweißungen nicht möglich, da keine Elemente für die Zufuhr und Weiterleitung von Auftragspulver am und im Brenner vorgesehen sind. Abgesehen davon, daß der Plasmabrenner nach der genannten DAS kein Pul­ verzufuhrsystem hat, macht die Schutzgaszufuhr im Bereich des Brennerkopfes dieses Plasmabrenners eine große Überwurfhülse notwendig, die der Wirkung des auch bei diesem Brenner vor­ handenen Kühlsystems entzogen ist. Die Kühlkammer selbst ist zwar bei diesem Brenner dichtungsmittelfrei abgeschlossen, ande­ rerseits ist aber eine Ringdichtung im Anschlußbereich des Kühlsystems zwischen Plasmadüse und Brennerkörper erforderlich, um einen Kühlmitteleintritt in die Ionisationszone zu verhin­ dern. Gleiches (Verwendung von Dichtungsringen) gilt im übrigen auch für einen Schneidbrenner nach der DE 25 44 402 C2. Es mag dahingestellt bleiben, welche Auswirkung ein Kühlmitteleintritt in den Ionisationsbereich beim Brenner nach der DAS 18 06 858 hat, bei einem Schutzgasplasmabrenner für die Pulverauftrags­ schweißung hätte dies jedoch fatale Folgen, und zwar zumindest für das Pulverauftragsergebnis.

Ausgehend vom Schutzgasplasmabrenner der eingangs genannten Art, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesem zusätzlich trotz des per se relativ komplizierten Aufbaues zu den Plas­ magas-, Schutzgas- und Kühlsystemen ein Pulverzufuhrsystem zu integrieren, und dies verbunden mit der Maßgabe, bei einfacher und übersichtlicher, einer einfachen Montage und auch Demontage entgegenkommender Gliederung das Kühlsystem so zu gestalten, daß es keiner Dichtungsmittel bedarf.

Diese Aufgabe ist mit einem Schutzgasplasmabrenner der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich nach den Unteransprüchen.

Abgesehen von der Integration des Pulverzufuhrsystems in den Brennerkörper und den gekühlten Ausdüsvorsatz, wobei entschei­ dend das ganze Kühlsystem innerhalb des Brenners ohne Dich­ tungsmittel auskommt, ergibt sich dabei vorteilhaft zudem eine übersichtliche, montagefreundliche und im wesentlichen dreitei­ lige Gliederung, nämlich gekühlter Düsenkopf bzw. Ausdüsvorsatz, Brennerkörper und betriebsmittelzufuhrseitiger Verschlußdeckel. Aufgrund der hermetischen Abdichtung ist es möglich, die Kühl­ kammer relativ großvolumig auszubilden, so daß sich eine hohe Kühlwirksamkeit ergibt. Dies ist auch in Verbindung mit der Ausbildung des Ausdüsvorsatzes als "Wärmeabfuhrschild" wichtig, da hierdurch die Werkstückabstrahlungswärme vom eigentlichen Brenner abgehalten und bereits brennerstirnseitig abgeleitet wird. Infolge geringer thermischer Brennerbelastung wird eine dauerhafte Strahlstabilität für das Auftragspulver begünstigt, die wesentlich auch von einem geometrisch konstant bleibenden Brenneraufbau abhängt. Der erfindungsgemäße Schutzgasplasmabren­ ner ermöglicht somit eine Steigerung der Brennerleistung bei gleichzeitiger Verbesserung der Betriebssicherheit und des Pul­ verauftragsergebnisses. Da Dichtungselemente im heißen Anodenbe­ reich völlig fehlen, ist auch der Wartungsaufwand drastisch reduziert, und etwaige Montage- sowie Demontagevorgänge sind er­ heblich erleichtert.

Der erfindungsgemäße Schutzgasplasmabrenner einschließlich sei­ ner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der Unteransprüche wird nachfolgend an Hand der zeichnerischen Darstellung eines Aus­ führungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 den Schutzgasplasmabrenner im Axialschnitt und

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, diese allerdings in einem versetzten Axialschnitt.

Gemäß Fig. 1, 2 weist der Schutzgasplasmabrenner eine brenner­ vorderseitige Anode 10 auf, die aus einem Anodenkörper 12 und aus einem mit diesem rückseitig bei 15 verlöteten oder ver­ schweißten Anodendeckel 14 besteht. Im Inneren des Anodenkörpers 12 befindet sich eine ringförmige Kühlkammer 16, die im Betrieb von einem Kühlfluid durchströmt wird und mit Kühlmittelzu-und­ abfuhrkanälen 20,22 verbunden ist. Der Kühlmittelabfuhrkanal 22 ist in Fig. 1 mit einem gestrichelten Pfeil versehen, da sich dieser Kanal unmittelbar hinter dem Kühlmittelzufuhrkanal 20 befindet. Diese beiden Kanäle 20, 22 sind mit dem Anodendeckel 14 verlötet oder verschweigt, d. h., es liegt eine nach außen hermetisch abgeschlossene Kühlkammer 16 vor.

Der thermisch sowie elektrisch leitende Anodenkörper 12, der bspw. aus Kupfer besteht, bildet, wie dargestellt, einen kegel­ stumpfförmigen, großflächigen Wärmeabfuhrschild 18, der die rückwärtigen Brennerteile thermisch schützt und die Abstrah­ lungswärme eines zu bearbeitenden Werkstücks wirksam abfängt.

Der Anodenkörper 12, der mit dem Anodendeckel 14 einen Teil bil­ det, weist ferner einen zentralen Anodeneinsatz 24 auf, der zentrisch den Plasmagasaustrittskanal 26 für den in Pfeil­ richtung S austretenden Plasmastrahl enthält. Der Anodeneinsatz 24, der bspw. aus Messing bestehen kann, stellt ein austauschba­ res Brennerverschleißteil dar, befindet sich in der unmittelba­ ren Ionisations- und Plasmastrahlzone I, ist in eine nicht näher bezeichnet Bohrung des Anodenkörpers 12 vorderseitig eingedrückt und mit einer Sprengringhalterung 28 lösbar fixiert. Eine aus­ reichende Preßsitzhalterung kann aber auch vorgesehen werden. Durch den Kontakt zwischen Anodeneinsatz 24 und Anodenkörper 12 ergibt sich eine thermische sowie elektrische Kopplung.

Zwischen dem Anodeneinsatz 24 und dem Anodenkörper 12 befindet sich ein nach vorne offener Schutzgasausströmringkanal 30, aus dem ein die Auftragsschweißzone umschliessender Schutzgasmantel austritt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, erstreckt sich ein Auftragspulver­ kanal 32, der rückseitig mit einem Pulverzufuhrkanal 34 für Auf­ tragspulver und Fördergas verbunden ist, durch den Anodenkörper 12, zu dem sich fluchtend im Anodeneinsatz 24 ein Auftrags­ pulveraustrittskanal 32' anschließt. Aus Fig. 2 ist ferner er­ sichtlich, daß der Schutzgasausströmringkanal 30 von Schutzgas­ durchströmkänälen 36 versorgt wird, von denen in Fig. 2 nur ei­ ner dargestellt ist. Diese Schutzgasdurchströmkanäle 36 stehen mit der Schutzgaskammer 58 in Verbindung.

Eine angespitzte Kathodennadel 38 sitzt in einem Kathoden­ nadelhalter 40, der seinerseits in einem Kathodenkörper 42 lösbar fixiert ist. Dieser kann, wie die Anode 10, ebenfalls aus Kupfer bestehen und enthält, wie der Anodenkörper 12, eine ring­ förmige Kathodenkühlkammer 44, die mit Kühlfluidleitungen 46,48 in Verbindung steht, die ihrerseits mit dem Kathodenkörper 42 verlötet oder verschweißt sind. Auch die Kathodenkühlkammer 44 ist somit hermetisch nach außen abgeschlossen, so daß keinerlei Dichtigkeitsprobleme auftreten können.

Der topfförmig formstabile sowie hitzebeständige eigentliche Brennerkörper 50 aus kohlefaserverstärktem, Polytetrafluoräthy­ len (PTFE) hat einen Boden 51 mit einer zentralen Öffnung 51' und liegt im montierten Zustand peripher am Anodendeckel 14 an. Umlaufende Ränder des Anodendeckels 14 einerseits und des Brennerkörpers 50 andererseits werden von lösbaren Schnellver­ bindungsmitteln 54 zusammengehalten. Diese können beispielsweise aus klauenförmigen Halbschalen bestehen, die durch verschraub­ bare Rohrschellen zusammengehalten werden. Ein rückseitiger Brennerkörperdeckel 52, der ebenfalls aus kohlefaserverstärktem Polytetrafluoräthylen bestehen kann, verschließt den Brenner­ körper 50 und kann an diesem ebenfallls durch Schnellver­ bindungsmittel 56 gehalten sein, die den Schnellverbin­ dungsmitteln 54 entsprechen.

Zwischen dem Boden 51 und dem Anodendeckel 14 befindet sich eine ringförmige Schutzgaskammer 58, die rückseitig mit einem Schutz­ gaszufuhrkanal 60 und vorderseitig mit den gleichmäßig verteil­ ten Schutzgasdurchströmkanälen 36 und durch diese mit dem Schutzgasausströmringkanal 30 in Verbindung steht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, führt ferner eine Plasmagasleitung 62 über einen Plasmagasaustritt 64 zu einem die Kathodennadel 38 umgebenden Ringkanal 38'. Das Plasmagas könnte aber auch durch Kanäle des Kathodehkörpers 42 zugeführt werden und strömte auch dann zu einer Ionisationszone I und von dort als Plasmastrahl aus dem Plasmagasausströmkanal 26 in Pfeilrichtung S zu einem nicht dargestellten, anodisch gepolten Werkstück.

Zwischen der Rückseite des Anodeneinsatzes 24 und der Vorder­ seite des im Brennerkörper 50 gehaltenen Kathodenkörpers 42 befindet sich eine die Kathodennadel 38 mit Abstand umgebende Kleramikhülse 66, die die rückwärtigen Brennerteile, insbeson­ dere den Boden 51 des Brennerkörpers 50 thermisch schützt. Ein Isolierring 68 umgibt die Keramikhülse 66 und befindet sich zwischen dem Anodendeckel 14 sowie dem inneren Begrenzungsrand des Bodens 51. Dieser Isolierring 68 unterbindet eine Licht­ bogenausbildung zwischen dem Anodendeckel 14 und dem Katho­ denkörper 42.

Die Kühlkammer 16 im Anodenkörper 12 und die Kathodenkühlkammer 44 können strömungsmäßig in Reihe geschaltet sein. Zu diesem Zweck sind der das Kühlfluid aus der Kühlkammer 16 zurück­ führende Versorgungskanal 22 und die die Kathodenkühlkammer 44 speisende Kühlfluidleitung 46 strömungsmäßig verbunden, jedoch elektrisch isoliert, um einen Kurzschluß zwischen der Anode und der Kathode auszuschließen. Extern sind dann nur der Versor­ gungskanal 22 und die Kühlfluidleitung 48 an eine geeignete Kühlfluidquelle anzuschließen.

An der Brennerrückseite sind insgesamt sechs Versorgungslei­ tungen extern anzuschließen, nämlich die beiden Kühlfluid- Versorgungsleitungen 22,48, ferner zwei diametrale (nicht dar­ gestellt) Pulverzufuhrkanäle 34 für Auftragspulver und Fördergas und der Schutzgaszufuhrkanal 60 und die Plasmagasleitung 62. Dafür sind nicht dargestellte, geeignete Schnellanschlußmittel vorgesehen, die eine Schnellkopplung mit entsprechenden Versor­ gungsanschlüssen zulassen.

Der Brennerkörper 50 sorgt in Verbindung mit dem Brennerkörper­ deckel 52 für eine einwandfreie Führung sowie Fixierung aller Betriebsmittelversorgungsleitungen bzw. -kanäle. Dadurch ergibt sich, wie dies auch die Fig. 1, 2 deutlich machen, ein kompakter, von Dichtungsmitteln freier Gesamtaufbau, der auch für eine geometrisch stabile Lagefixierung der Anode 10 sowie des Kathodenkörpers sorgt. Bei erkennbar robuster Bauweise lassen sich wegen des übersichtlich gegliederten Brenneraufbaues dessen Einzelteile sehr leicht montieren sowie demontieren. Die Brennerverschleißteile, nämlich der Anodeneinsatz 24 und die Kathodennadel 38, können jederzeit schnell und einfach ausgetauscht bzw. nachgestellt werden.

Claims (16)

1. Schutzgasplasmabrenner für die Pulverauftragsschweißung, bestehend aus einem Brennerkörper (50) mit Betriebsmit­ telzufuhrkanälen zu einem dem Brennerkörper (50) vorge­ setzten, einen Anodenkörper (12) bildenden, mit Kühlkammer (16), mit mit einem Schutzgaszufuhrkanal (60) verbundenen Schutzgasausströmringkanal (30) und mit zentrischem, eine Kathodennadel (38) enthaltenden Plasmagasausströmkanal(26) versehenen Ausdüsvorsatz, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kühlkammer (16), einen Auftragspulverdurch­ ström- (32), einen Schutzgasdurchström- (36), einen Plas­ magasausströmkanal (26) und dem vom mindestens einen Schutzgasdurchströmkanal (36) versorgten Schutzgasaus­ strömringkanal(30) umgebenen, auswechselbaren, mit Auf­ tragspulveraustrittskanal (32') versehenen Anodeneinsatz (24) enthaltende Anodenkörper(12), der brennerkörperseitig mit einem die Kühlkammer(16) abschließenden Anodendeckel (14) dichtungsmittelfrei verschlossen ist, der, stoff­ schlüssig mit einem Pulverzufuhrkanal (34) und den Kühlmittelzu-undabfuhrkanälen (20,22) verbunden, eine zum Brennerkörper (50) aufsetz- und einschiebbare Baueinheit bildet, wobei der Anodendeckel(14) eine stirnseitig im Brennerkörper(50) eingelassene, von dem Pulverzufuhr- (34) und den Kühlmittelkanälen (20,22) durchgriffene, ringförmige Schutzgaskammer (58) begrenzt, die abström­ seitig mit dem Schutzgasdurchströmkanal (36) und zuström­ seitig mit dem den Brennerkörper(50) durchgreifenden Schutzgaszuströmkanal(60) in Verbindung steht.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodeneinsatz (24) als hochbelastetes Brenner­ austauschteil in den Anodenkörper (12) eindrückbar, wie einpreßbar, ausgebildet ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine lösbare Sprengringhalterung (28) zwischen dem Ano­ deneinsatz (24) und dem Anodenkörper (12).

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenkörper (12) rückseitig mit dem seine Anodenkühlkammer (16) verschließenden Anodendeckel (14) fluiddicht verlötet oder verschweißt ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodendeckel (14) mit den zwei rückseitig aus dem Brennerkörper (50) vorstehenden Kühlmittelzu- und -abfuhrkanälen (20,22) verlötet oder verschweißt ist.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen einen Kathodenkörper (42) aufnehmenden, formstabilen sowie hitzebeständigen und topfförmigen Brennerkörper (50), aus dem vorderseitig die Kathodennadel (38) vorsteht und an den der Anodendeckel (14) des Anodenkörpers (12) vorzugsweise über Schnellverbindungsmittel (54) lösbar anflanschbar ist.

7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkörper (50) aus kohlefaserverstärktem Poly­ tetrafluoräthylen (PTFE) gebildet ist.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine an eine vorderseitige Ionisationszone (I) angrenzende und die Kathodennadel (38) mit Abstand umgebende Kera­ mikhülse (66) zwischen dem Kathodenkörper (42) und dem Anodeneinsatz (24).

9. Brenner nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen die Keramikhülse (66) umgebenden und zwischen dem Anodendeckel (14) und einem inneren Begrenzungsrand des Bodens (51) des Brennerkörpers (50) angeordneten Isolierring (68).

10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen brennerrückseitig an den Brennerkörper (50) über Schnellverbindungsmittel (56) lösbar anflanschbaren Brennerkörperdeckel (52) zum Fixieren des Kathodenkörpers (42) mit der in einem Kathodennadelhalter (40) gehaltenen Kathodennadel (38) und zum Durchführen sowie Fixieren der anoden- und kathodenseitigen Versorgungsleitungen (20, 22, 34, 46, 48, 60, 62)

11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen den Anodeneinsatz (24) umgebenden, zur Brenner­ vorderseite offenen Schutzgasausströmringkanal (30).

12. Brenner nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellverbindungsmittel (54) zum Anflanschen des Anodendeckels (14) an den Brennerkörper (50) halbscha­ lenförmige Klauen mit diese umschließenden und zusam­ mendrückenden, verspannbaren Rohrschellen aufweisen.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellverbindungsmittel (56) zum Anflanschen des Brennerkörperdeckels (52) an den Brennerkörper (50) halb­ schalenförmige Klauen mit diese umschließenden und zusam­ mendrückenden, verspannbaren Rohrschellen aufweisen.

14. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine strömungsmäßige Reihenschaltung der Kühlkammer (16) im Anodenkörper (12) und einer im Kathodenkörper (42) angeordneten ringförmigen Kathodenkühlkammer (44).

15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Kühlfluidleitungen (22, 48) gleichzeitig als elektrisch anodische und kathodische Versorgungs­ leitungen ausgebildet sind.

16. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch Schnellverbindungsanschlüsse an allen äußeren Versor­ gungsleitungen (20, 22, 34, 46, 48, 60, 62) für Kühlfluid, Auftragspulver mit Fördergas, Schutz- und Plasmagas.