DE19828633A1

DE19828633A1 - Lichtbogenschweiß- oder -schneidbrenner sowie Kühlsystem, Plasmadüsen bzw. WIG-Elektrodenspannzangen, Spannsystem für Plasmaelektrodennadeln u. verfahrensübergreifendes Konstruktionsprinzip hierfür

Info

Publication number: DE19828633A1
Application number: DE19828633A
Authority: DE
Inventors: Arnim Wirth; Josef Wirth
Original assignee: WIRTH ALOISIA
Current assignee: Plasmatechnik Markus Colling & Co Kg De GmbH
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2018-06-27
Also published as: DE19828633B4

Abstract

Lichtbogenschweiß- oder -schneidbrenner, insbesondere WIG- oder Plasmabrenner, mit einem Kühlsystem, in dem das Kühlmedium durch zwei hohlzylinderartige Ringspalte, die koaxial zur Brennerachse liegen, geführt wird, wobei diese, das Kühlmedium führenden Elemente, nacheinander durchströmt werden, und die äußere Kühlkammer mit der Vorlaufleitung und die innere Kühlkammer mit der Rücklaufleitung des Kühlmediums verbunden sind. Eine wärmeleitende Gaslinse leitet aus dem Bereich der größten Wärmebelastung, bei Plasmabrennern der Schweiß- bzw. Schneiddüsenspitze, über eine entsprechende Anordnung gemeinsamer Kontaktflächen von der Außenkontur der Plasmadüse über eine ebenfalls wärmeleitende Schutzgasdüse und den Brennerkörper einen zur üblichen Düsenkühlung zusätzlichen Wärmestrom zur äußeren Kühlkammer des oben beschriebenen Kühlsystems. Die Schweiß- bzw. Schneiddüsen der Plasmabrenner bzw. Elektrodenspannzangen bei WIG-Brennern sind gewindelos und mit einem Doppelkegel ausgestattet, bei dem die Fußkreisflächen beider Kegel aneinanderliegen und die Kegelspitzen in die entgegengesetzten Richtungen zeigen. Die Düsen bzw. die Spannzangen werden über den in Richtung zum Brenner zeigenden Kegel im Brennerkörper zentriert und über den zweiten Kegel und die vorgenannten Kontaktflächen zur Wärmeableitung durch die Gaslinse und die Schutzgasdüse gleichzeitig mit dem Brennerkörper verspannt. DOLLAR A Die Elektrode der Plasmabrenner wird über eine mit einem besonders schlanken Kegel ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, der verfahrensübergreifend aus weitestgehend gleichen Bauteilen gefertigt ist, sowie einem Kühlsystem, bei dem ein i. d. R. flüssiges Kühlmedium die jeweils ver fahrensabhängig am stärksten thermisch beanspruchten Bauteile, Plasmadüse bzw. schwer abschmelzende Elektrode bei WIG-Brennern, entlastet, einem höher belastbaren, gewindelosen Plasmadüsen- bzw. WIG-Spannzangensystem und einem Plasmaelektrodenspannsystem mit Differentialschraubtrieb hierfür.

Plasmabrenner, speziell Plasmaschweißbrenner haben in der Schweißtechnik zahlenmäßig eine weitaus geringere Verbreitung als WIG-Brenner und werden demzufolge in deutlich kleineren Stückzahlen gefertigt, wodurch sich unter anderem ein signifikanter Kostennachteil ergibt. Üblicherweise werden Plasmabrenner trotz ihrer geringen Fertigungsstückzahlen unabhängig von Brennern für andere, verwandte Verfahren konstruiert, ohne, durch eine im Prinzip mög liche Anpassung kostenintensiver Bauteile, beispielsweise an entsprechende Bauteile von WIG- Brennnen, über eine erhöhte Fertigungsstückzahl dieser Teile eine Kostenreduzierung herbei zuführen. Durch diese Vorgehensweise ergibt sich ein hoher Konstruktionskostenanteil, der auch die Bereitschaft der Hersteller zu einer laufenden Produktpflege oder Entwicklung neuer Brennertypen stark einschränkt. Dadurch bedingt werden für ein, auch im Hochtechnologie sektor eingesetztes und von hohen Qualitätsansprüchen begleitetes Verfahren oftmals kon struktiv überalterte Brennermodelle angeboten und demzufolge auch eingesetzt.

Ein wesentliches Merkmal für die Belastbarkeit und Standzeit eines Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenners bzw. seiner Verschleißteile ist die Effektivität seines Kühlsystems, wobei der Erfolg der hierzu getroffenen Maßnahmen von verschiedenen Faktoren wie z. B. der Lage, Größe und geometrischen Gestaltung der Kühlflächen/Wärmetauschflächen, den Querschnitten und der Auswahl der Werkstoffe von Kühlkörpern und direkt angrenzenden Bauteilen abhängt. Bei den bekannten Brennern sind bereits verschiedene der hier genannten Faktoren, z. T. auch in Kombination untereinander berücksichtigt und konstruktiv umgesetzt worden. Einfache Rohrumschlingungen oder auch in den Brennerkörper integrierte Kühlkammern wurden z. B. bereits bei verschiedenen Modellen ausgeführt. Im Bemühen um eine möglichst hohe Kühlwirkung durch eine Strömungsverlängerung wird das Kühlmedium bei Brennern mit einem höheren Qualitätsanspruch üblicherweise aufwendig durch den Brennerkörper geleitet. Be kannte Beispiele hierfür sind, wie auch in DE 43 14 097 C2 beschrieben, einschalig hintereinandergeschaltete und über Strömungsschikanen bzw. versetzte Durchlässe zwangs weise durchströmte Kühlkammern sowie gewindeartige Strömungskanäle. Bei diesen Maß- nahmen stehen der Effktivitätsgrad der Kühlungsverbesserung und der konstruktive bzw. Herstellungsaufwand in einem engen Verhältnis. In der Praxis bedeutet dies, daß Bauteile, insbesondere Kühlkörper, für eine definierte Zwangskühlung eine komplizierte Formgebung aufweisen, was erhöhte Herstellungskosten zur Folge hat.

Letztenendes ist jedoch neben den Strömungsrichtungen des Kühlmediums und der im Brenner erzeugten und abzuführenden Wärme immer die Größe und Anordnung der zum Wärmeaus tausch zur Verfügung stehenden Fläche für den Erfolg der Kühlmaßnahmen und damit für die Belastbarkeit eines Brenners und seiner Verschleißteile ausschlaggebend. Die hierfür zur Ver fügung stehende Fläche, auch bei zwangsgelenkter Kühlmediumführung nach den vorgenann ten Methoden, bei der bisher üblichen einschaligen Kühlkammerausführung ist jedoch durch die aus verschiedenen Gründen möglichst gering zu haltende Bauhöhe des Brennerkörpers stark begrenzt.

Eine weitere Leistungsbegrenzung für Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner ist durch die eingeschränkte thermische Belastbarkeit der zur Isolierung des Brennerkörpers erforderlichen Kunststoffummantelung gegeben. Zur Vermeidung von Überbeanspruchung, was sich bei der bisherigen Standardkühltechnik durch partielles anschmelzen, teigig werden oder zersetzen des Kunststoffs einstellen könnte, wird teilweise auch die obere mögliche Strombelastungsgrenze für die Brenner vom Hersteller nach unten korrigiert.

Wie ebenfalls aus DE 43 14 097 C2 bekannt, wird, um diesem Problem entgegenzuwirken, bei flüssigkeitsgekühlten Brennern neuer Bauart, durch die Verwendung von Chrom-Nickelstahl als schlecht wärmeleitendem Werkstoff für das äußere Brennergehäuse der Wärmefluß vom aufgeheizten Kühlmedium zum Kunststoffüberzug verzögert. Bei der Verwendung von Chrom- Nickelstahl anstelle der klassischen, leicht bearbeitbaren Brennerwerkstoffe Kupfer und Mes sing ergibt sich in diesem Fall durch die höheren Herstellungskosten ein deutlicher Kosten nachteil. Außerdem sind für flüssigkeitsgekühlte Brenner bei der dort beschriebenen Material kombination Kupfer/Chrom-Nickelstahl langfristig Korrosionsprobleme durch die Bildung eines galvanischen Elements aufgrund der relativ hohen Potentialdifferenz in der Elektro lytischen Spannungsreihe zwischen diesen Materialien zumindest theoretisch nicht auszu schließen, insbesondere dadurch, daß der Brennerhersteller auf eine mögliche unsachgemäße Auswahl und Pflege des Kühlmediums durch den Anwender keinen Einfluß hat.

Bei den z. Zt. bekannten Plasmaschweiß- und -schneidbrennern werden überwiegend indirekt gekühlte Plasmadüsen verwendet, die ausschließlich über ein Ein- oder Aufschraubgewinde und eine angrenzende ringförmige oder einem Kurzkegel entsprechende Anlagefläche gekühlt werden. Dieses Konstruktionsprinzip hat wesentliche Nachteile, dadurch bedingt, daß auf die ge samte Länge des für den Gewindeauslauf zwangsläufig erforderlichen Freistichs keine Wärme übertragung stattfinden kann und unter Vernachlässigung der grundsätzlich mit der Einschraub tiefe abnehmenden Flankenpressung auch nur jeweils eine Gewindeflanke pro Steigung zur Anlage und somit als Kühlfläche in Betracht kommt. Erschwerend kommt hinzu, daß dieses Gewinde über die Gebrauchsdauer (Lebensdauer) des Brenners durch den häufigen Düsen wechsel einem nicht zu vernachlässigenden Verschleiß unterliegt, wodurch sich die Wärme übergangsfläche stetig verringert. Der für die, als Hauptkühlfläche anzusehende, ringförmige oder kurzkegelartige Anlagefläche zur Verfügung stehende Platz wird in der Regel durch die Schutzgasaustrittsöffnungen und/oder durch die stets angestrebten möglichst geringen Bren nerabmessungen begrenzt und gestattet keine, den Kühleffekt unterstützende großzügige Di mensionierung. Für dieses Konstruktionsprinzip typisch ist auch die relativ große Entfernung zwischen der themisch am stärksten belasteten Düsenspitze und den erst und ausschließlich am hinteren Teil der Düse angeordneten Wärmeübergangsflächen sowie der den Wärmeabfluß innerhalb der Düse behindernde stufenförmige Materialabtrag zur Herstellung des Einschraub gewindes, insbesondere im Bereich des Gewindefreistichs.

Bis jetzt realisierte effektivere Kühlsysteme für den Bereich des Plamakanals und der Düsen spitze verwenden ausschließlich direkt gekühlte Düsen, d. h., die Plasmadüsen werden unter Verwendung von Dichtelementen, i. d. R. O-Ringen, direkt in das zum Düsenwechsel geöffne ten Kühlsystem eingesetzt. Diese Methode hat die Nachteile, daß der Düsenwechsel üblicher weise nur mit Hilfe von Spezialwerkzeug durchgeführt werden kann und die Dichtelemente sowie die Dichtsitze im Brenner verschleißbehaftet und beschädigungsgefährdet sind. Derar tige Undichtigkeiten, die zu einem Kühlmittelaustritt während des Schweißens führen, können die Qualität des geschweißten Werkstücks entscheidend negativ beeinflussen bzw. den Total verlust von Werkstück und Schweißbrenner zur Folge haben. Außerdem sind zumindest die Verunreinigung von Arbeitsplatz und/oder des zu schweißenden Werkstücks durch austreten des Kühlmittel während des Düsenwechsels eine häufige und unangenehme Folge sowie die ggf. hinzukommenden negativen Arbeitssicherheitsaspekte.

Für beide, direkt und indirekt gekühlte Plasmabrennersysteme ergibt sich in der Praxis ein gemeinsamer Nachteil dadurch, daß i. d. R. die Plasmadüsen nur mit Hilfe von Werkzeugen in den Brennerkopf fest eingeschraubt oder eingesetzt werden können. Teilweise werden von den Brennerherstellern Sonderwerkzeuge vorgesehen, die jedoch oftmals verloren gehen.

Üblicherweise werden diese Sonderwerkzeuge dann durch die auch für das Einschrauben aller anderen Düsenarten verwendete Kombizange ersetzt, was zwangsläufig früher oder später zu Beschädigungen an Düsen und Brennern führt. Selbst die mit einem Rändel am Außendurch messer versehenen Düsentypen werden in der Praxis oftmals mittels Zangen angezogen, um auch sicherzustellen, daß die für den betreffenden Brennertyp bestmögliche Düsenkühlung erreicht werden kann.

Bei Plasmabrennern nach dem Stand der Technik ist die Wartung oftmals dadurch erschwert, daß, sofern vorhanden, die Gaslinsen fest eingebaut und nicht oder nur mit Spezialwerkzeug gewechselt werden können, was zwangsläufig auch dazu führt, daß mit nicht einwandfreien Brennern produziert wird.

Bei herkömmlichen Elektrodenspannsystemen für schwer schmelzende Elektrodennadeln von Plasmabrennern werden die Elektroden über eine Einstellehre in die vorgegebene Position gebracht und direkt geklemmt. Bei weiterentwickelten Spannsystemen, wie sie vorwiegend bei in Deutschland produzierten Plasmabrennern zu finden sind, werden die Elektroden in einem eigenen, im oberen Brennerbereich (Kathodenbereich) angeordneten, Zwischengehäuse gespannt. Über ein feingängiges Außengewinde auf diesem Zwischengehäuse und ein im Bren ner befindliches Innengewinde kann das Zwischengehäuse und damit die geklemmte Elektrode dann in ihrer Position im Brenner feinjustiert werden, was für die Bildung eines optimalen Plasmastrahls von Vorteil ist.

Ein deutlicher Nachteil bei der Realisiertung der oben beschriebenen Spanntechniken aber ist, daß die Elektrodenklemmung oft in relativ großer Entfernung von ihrer thermisch hoch belaste ten Spitze und mittels einer sehr einfach konstruierten, aber in der Schweißtechnik weit verbreiteten Spannzange erfolgt. Bei dieser Spannzange handelt es sich um ein in Längsrich tung geschlitztes Messing- oder Kupferrohr, das an einem Ende einen etwa 1-2 mm langen, ca. 60- bis 90°-Kegel aufweist, der dann, durch Aufbringen einer Längskraft über eine mit einem Gewinde versehene Spannkappe, in eine zugehörige Kegelsenkung im Zwischengehäuse ge drückt wird. Da der Innendurchmesser der Spannzange zumindest für den gemäß Herstell toleranz größten Elektrodendurchmesser gefertigt werden muß ergibt sich eine echte Klem mung nur für den sehr kurzen, unmittelbaren Kegelbereich. Da aber für eine möglichst verlustarme Übertragung des Schweißstroms einerseits und eine möglichst effektive Wärme abfuhr von der Elektrode andererseits nur über fest an der Elektrode anliegende Kontaktflächen erfolgen kann, wird zumindest bei einer bestehenden Brennerkonstruktion versucht diesem offensichtlich mangelbehafteten Konstruktionsprinzip dadurch entgegenzuwirken, daß ein ebenfalls geschlitzter sog. Elektroden-Führungseinsatz in das Kathodengehäuse eingeschraubt wird, der dann an der Elektrode eine zusätzliche Anlageflächenvergrößerung darstellen soll. Ein weiterer Nachteil des bestehenden Spannsystems ist, daß die erforderliche Schweißstrom übertragung vom Kathoden auf das Zwischengehäuse nur über eine Flankenseite des natur gemäß spielbehafteten gemeinsamen Gewindes erfolgen kann. Um bei diesem Prinzip wenig stens einseitig zu definierten Anlage- und damit Stromübergangsflächen zu kommen, weisen alle derart konstruierten Plasmabrenner im Kathodengehäuses unterhalb des Zwischengehäuses eine lose Druckfeder auf, die über ihre durch Zusammendrücken erzeugte Längskraft das Gewindespiel kompensieren und die Flanken zur Anlage bringen sowie ein selbsttätiges Ver stellen der Elektrodenjustierung verhindern soll.

Vom Stand der Technik ausgehend stellt sich für die Erfindung die Aufgabe einen flüssig keitsgekühlten Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner, insbesondere WIG- oder Plasma brenner, unter Verwendung konstruktiv gleicher Elemente für die verfahrensabhängig unterschiedlichen Konstruktionen, und hierfür ein aus konstruktiv und herstellungstechnisch einfachen Teilen und leicht bearbeitbaren, unproblematischen Werkstoffen gefertigtes und in seiner Effektivität erweitertes Kühlsystem, eine verbesserte Plasmadüsenkühlung mit zusätzli cher Kühlung der Düsenspitze ohne das Kühlkanalsystem des Brenners bei einem Düsenwech sel zu öffnen bzw. eine verbesserte Elektrodenkühlung für WIG-Brenner, sowie ein deutlich verbessertes Elektrodenspannsystem für nadelartige Elektroden bei Plasmabrennern zu entwickeln, und damit bei annähernd gleichen oder möglichst kleineren Brennerabmessungen als bisher üblich eine Steigerung der baugrößenspezifischen Strombelastbarkeitsgrenze für WIG- und insbesondere für Plasmabrenner zu realisieren.

Als Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung vor, einen flüssigkeitsgekühlten Lichtbogen schweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, unter Beachtung eines vorgegebenen Konstruktionsprinzips zu entwickeln, und zwar dahingehend, daß wesentliche Teile oder Baugruppen, wie beispielsweise das i. d. R. kostenintensive Kühlsystem oder die Schutzgasverteilung, weitestgehend baugleich, verfahrensübergreifend zur Reduzierung der Herstellungskosten übernommen werden können. Dazu wird das Kühlsystem derart gestaltet, daß die Aufnahmekontur für die Düse im inneren Kühlmantelgehäuse eines Plasmaschweiß- oder schneidbrenners gleichzeitig auch eine optimale Aufnahmemöglichkeit für die Elektroden spannzange eines WIG-Brenners darstellt. Gleichzeitig wird die der Düsenaufnahme gegenüber liegende Seite dieses, i. d. R. als Anodenteil eines Plasmabrenners verwendeten, Kühlsystems derart ausgebildet, daß anstelle des Isolators als Abgrenzung zum anschließenden Kathodenteil und des Kathodenteils selbst lediglich eine Brennerkappe zur Abdeckung des freien Elektrodenendes bei der so entstandenen WIG-Brennervariante eingesetzt wird. Für diese Elektrodenkappe kann sogar das übliche Anzugsgewinde entfallen, da die Elektrode über die von vorn in den Brenner eingesetzte Spannzange geklemmt wird und gegen einen Lufteintritt in den hinteren Brennerbereich eine O-Ringabdichtung an der Elektrodenabdeckkappe vorgesehen ist. Darüberhinaus kann das für beide Schweißverfahren erforderliche Schutzgasverteilsystem so in das gemeinsame Kühlsystem integriert werden, daß es bei beiden Verfahren eine opti male Schutzgasabdeckung des Schmelzbades gewährleistet.

Bei der Realisierung des gemeinsamen Kühlsystems wird die zur Wärmeabgabe an das flüssige Kühlmedium zur Verfügung stehende Fläche dadurch erheblich vergrößert, daß der im Brenner vorgesehene Kühlraum als zwei koaxial zur Brennerachse angeordnete und als Hohlzylinder ausgebildete Ringspalte ausgeführt ist. Diese ringspaltartigen Hohlzylinder werden nacheinan der in axialer Richtung gegenläufig durchströmt, wobei die axiale Umlenkung in die Gegenrichtung durch definierte, in Umfangsrichtung angeordnete Spalte an unterster Stelle des Kühlsystems, d. h. in möglichst unmittelbarer Nähe zur thermisch höchst beanspruchten Stelle des Brenners, erfolgt. Dabei wird der Volumenstrom des den Brenner durchströmenden Kühlmediums durch eine entsprechend enge Spaltführung weitgehend einem Kühlfilm angenähert, wodurch deutlich mehr Kühlmittelmoleküle mit dem wärmeabgebenden inneren Kühlmantelgehäuse in Kontakt treten und der Wärmeübergang auf das Kühlmedium verbessert wird. Im Bereich des Aufnahmekegels für eine Plasmadüse oder ein Elektrodenspannelement eines WIG-Brenners ist die Außenkontur des inneren Kühlmantelgehäuses durch mehrere einstichartige Eindrehungen in ihrer Oberfläche vergrößert, was eine erhöhte Wärmeableitung zur Folge hat.

Der Eintritt des Kühlmediums in den Brennerkopf bzw. das Kühlsystem ist im obersten Bereich des äußeren Kühlmantelgehäuses vorgesehen, wodurch das noch kalte Kühlmedium den äuße ren Kühlmantel des Brenners von oben nach unten, d. h. in Richtung zum Lichtbogen bzw. Plasmastrahl, und bedingt durch die außermittige Einleitung, drallbehaftet durchströmt und die im Innern des Brenners vorhandene Prozeßwärme von der Innenseite der Kunststoffumhüllung fernhält und somit verhindert, daß die temperaturempfindliche Kunststoffschicht von ihrer Innenseite thermisch überlastet wird. Für die thermische Entlastung der Kunststoffumhüllung ist bei der hier vorgestellten Konstruktion also die Aufteilung des im Brennerinneren vor handenen Kühlraumes in zwei koaxiale Kühlschalen oder auch Kühlmäntel unterschiedlicher Temperatur ausschlaggebend; eine besondere Werkstoffauswahl für die am Kunststoff anliegenden Bauteile, z. B. Chrom-Nickelstahl, ist daher nicht erforderlich. Vorteilhafterweise wird dieser Effekt noch dadurch verstärkt, daß, sowohl für die WIG- als auch für die Plasmabrennervariante, im unteren Bereich des äußeren Kühlmantels ein weiterer, ebenfalls hohlzylinderartiger Ringspalt angeordnet ist, der von dem für den WIG- und den Plasma schweißprozeß benötigten Schutzgas in Richtung zum WlG-Lichtbogen bzw. zum Plasmastrahl durchströmt wird und somit eine weitere Barriere gegen die themische Überlastung der Kunststoffummantelung speziell in diesem, thermisch höher beanspruchten Brennerbereich darstellt.

Ein wesentliches Merkmal dieses Kühlsystems ist, daß der erste gezielte Wärmeeintrag in das frische Kühlmedium bereits im unteren Teil des äußeren Kühlmantels und zwar von der Außenseite des Brennergehäuses her erfolgt. Hierzu wird über eine als Wärmebrücke dienende Anordnung wärmeleitender Bauteile aus größtmöglichster Nähe der thermisch am höchsten belasteten Zonen von Plasma- und WIG-Brennern, also den Plasmadüsenspitzen bzw. den Elektrodenspitzen, ein Wärmestrom zum Aufnahmegewinde der Gasdüse und von dort über nur durch schmale Schutzgaskanäle unterbrochene und großzügig dimensionierte Kontaktflächen an den äußeren, das noch kalte Kühlmedium führenden Kühlmantel und von dort auf das Kühlmittel übertragen. Dieses Konstruktionsmerkmal ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise Plasmadüsen zusätzlich zur Kühlung im hinteren, mit dem Kühlkörper in Innern des Brenners im direkten Kontakt stehenden Teil auch im Bereich der thermisch am stärksten belasteten Düsenspitze, also in der Nähe des Plasmakanals zu kühlen, ohne dabei den Kühlmittelkanal im Brenner, z. B. zum Düsenwechsel, öffnen zu müssen. Dies basiert darauf, daß von der zur Düsenspitze gerichteten kegelartigen äußeren Düsenmantelfläche über die mit gleichem Kegelwinkel gefertigte innere Mantelfläche einer aus wärmeleitendem Material hergestellten Gaslinse Wärme abgezogen und über die aus ebenfalls wärmeleitendem Material gefertigte Schutzgasdüse wie oben beschrieben dem Kühlmittel im äußeren Kühlmantel des Brennerkopfes zugeführt wird, wobei das die wärmeleitende Gaslinse durchströmende Schutz gas diesen Kühleffekt zusätzlich unterstützt, da es bereits beim Durchströmen der Gaslinse einen erheblichen Wärmeaustrag aus der Gaslinse bewirkt.

Ein bestmöglicher Wärmeübergang von jedem in den Wärmestrom eingebundenen Bauteil auf das nächste wird dadurch sichergestellt, daß die Schutzgasdüse gleichzeitig auch als Spannelement (Spannmutter) für die durch einen zweiten Kegel im Brennerkopf gehaltene Plasmadüse dient und damit sicherstellt, daß Plasmadüse, Gaslinse und Schutzgasdüse mit den Wärmetauscherflächen des Brennerkopfes, nämlich Gasdüsenaufnahmegewinde und Innenkegel des inneren Kühlmantels ( = Aufnahmekegel der Plasmadüse im Brennerkopf) ein intensiv flächig verspanntes System bilden. Vorzugsweise werden als Materialien für die wärmeleitende Schutzgasdüse möglichst reines Aluminiumoxid oder Aluminium mit einer zur elektrischen Isolation entsprechend dicken Eloxalschicht verwendet. Für die Gaslinse ist wegen der zusätzlichen mechanischen Beanspruchung die Verwendung von gasdurchlässiger Sinterbronze oder eines entsprechend geformten hohlen Metallkörpers mit eingelegten Sieben bzw. eingelegtem Metallflies vorgesehen.

Die Plasmadüse ist nach diesem Vorschlag also derart ausgebildet, daß in ihrer geometrisch einfachsten Form einem mit der Gaslinse in Kontakt stehenden und zur Düsenspitze zeigenden Kegel ein zweiter gegenüberliegend angeordnet ist, wobei dieser zweite Kegel mit seiner Fußkreisfläche an der Fußkreisfläche des anderen Kegels anliegt und somit die Kegelspitzen voneinander wegzeigen. Diese, den Namen Doppelkegeldüse bzw. -spannzange prägende Form, kann funktionsgleich variiert werden, und zwar derart, daß an dem aus dem Brennerkopf herausragenden Teil zusätzlich zum Kegel ein zylindrischer Ansatz mit einer Stirnfläche für ein als Spannelement dienendes Bauteil oder nur eine zylindrische mit einer Anlagefläche ver sehene Kontur angebracht ist. Weitere geeignete Formgebungsvarianten anstelle des oben beschriebenen geradlinigen Kegels sind rotationssymmetrische Konturen, deren stetige Konturerweiterung durch mathematische Gleichungen höherer Ordnung beschrieben sind und sinnvolle Kombinationen aller vorgenannten Möglichkeiten.

Durch das beschriebene sog. Doppelkegelprinzip wird auf vorteilhafte Weise sichergestellt, daß sich die beweglichen Brennerteile, insbesondere Plasmadüse bzw. Elektrodenspannzange beim WIG-Brenner und Gaslinse, beim Spannen selbsttätig zueinander und zur Brennerachse zen trisch ausrichten.

Ein weiterer hervorzuhebender Vorteil dieser Doppelkegeldüse ist dadurch gegeben, daß, im Vergleich zu herkömmlichen Einschraubdüsen mit etwa gleichem Außendurchmesser, die im Brennerkopf verspannte Kegelmantelfläche dieser hier vorgestellten neuen Düse eine weitaus größere Kontaktfläche zur Wärmeableitung an das innere Kühlsystem aufweist.

Diese größere Kontaktfläche und damit intensivere Düsenkühlung sowie die zusätzliche oben beschriebene Wärmeableitung von der Düsenspitze über die Gaslinse ermöglichen als nächsten Vorteil nicht nur eine höhere Düsenstandzeit sondern auch eine Steigerung der zulässigen Stromstärken in Bezug auf die Durchmesser der Plasmakanäle in den Plasmadüsen. In Verbin dung mit dem in seiner Effektivität gesteigerten doppelschaligen inneren Brennerkühlsystem wird gleichzeitig auch die zulässige Strombelastbarkeitsgrenze für Plasmabrenner dieser Bau größe verbessert.

Die Handhabung eines Plasmaschweiß- oder -schneid- bzw. WIG-Brenners im täglichen Einsatz wird dadurch verbessert, daß wie bei dem oben beschriebenen Düsen- bzw. Elektroden spannsystem für einen Düsen- oder Elektrodenwechsel, der üblicherweise auch von der Brennervorderseite vorgenommen wird, nur noch ein Gewinde gelöst werden muß, um an die zum Austausch vorgesehenen Brennerteile zu gelangen. Der gleiche erheblich Rüstzeit einsparende Vorteil ergibt sich auch bei der Wiedermontage des Brenners.

Für das Lösen und die einwandfreie Festlegung des Spanngewindes an der Schutzgasdüse und damit der Plasmadüse ist kein Werkzeug erforderlich, da der Außendurchmesser und die Oberflächenstruktur der Schutzgasdüse durch ihre konstruktive Gestaltung das Einbringen eines genügend großen Drehmoments in den Spannmechanismus ermöglichen ohne, daß die bei Einschraubsystemen aufgrund von Werkzeuggebrauch oft beobachteten Beschädigungen an Brenner oder Düse auftreten.

Für die Wartung und den praktischen Einsatz der Brenner ist es vorteilhaft, daß bei dem vorge stellten System die Gaslinse als loses Einzelteil vorliegt und dadurch, z. B. bei Verschmutzung, problemlos und ohne Zeitaufwand jederzeit ausgewechselt werden kann. Für den Fall, daß die Schweißaufgabe eine Gaslinse mit einer speziellen Gasdurchlässigkeit verlangen sollte, kann auch ein solches Teil ohne Zeitverlust problemlos in das System eingelegt werden.

Alle vorgenannten Vorteile, wie sie sich insbesondere aus der sog. Doppelkegelform der Plasmadüse und der neuartigen zusätzlichen Wärmeableitung von der vorderen Düsenkontur ergeben, sind auch unabhängig von der koaxialen Kühlkammeranordnung auf die Konstruktion von WIG-Brennern übertragbar, wenn anstelle der "doppelkegeligen" Plasmadüse eine als sog. Doppelkegel ohne Einschraub- oder sonstige Anzugsgewinde ausgebildete Elektrodenspann zange in den Aufnahmekegel eines entsprechenden, für das WIG-Verfahren konzipierten Brennerkopfes eingesetzt wird.

Das als Stand der Technik beschriebene in Längsrichtung verstellbare Elektrodenspannsystem wird dadurch entscheidend verbessert, daß eine massive, mit einem besonders langen und schlanken Kegel ausgestattete geschlitzte Spannzange in ein längsverstellbares Spann zangengehäuse eingesetzt wird. Dieses Spannzangengehäuse ist in seinem Aufnahmekonus bereich geschlitzt und wird über ein zur Längsverstellung genutztes Gewinde im Kathoden gehäuse des Plasmabrenners geführt. Das Anziehen und Lösen der Spannzange erfolgt über eine im Spannzangengehäuse über ein feingängiges Gewinde geführte Spannkappe, die gleichzeitig ein mit dem Spannzangengewinde übereinstimmendes Innengewinde mit großer Steigung aufweist. Durch das Einschrauben der Spannkappe in das Spannzangengehäuse über das feingängige Gewinde wird die, in die Spannkappe vorher bereits eingeschraubte Spann zange, durch die gleichzeitige Drehung des grobgängigen Gewindes um den Differenzbetrag beider Gewindesteigungen in den Spannkonus gezogen. Dieser Differentialschraubtrieb erzeugt durch die Drehung der Spannkappe eine hohe Längskraft, die dazu führt, daß der schlanke Spannzangenkegel das geschlitzte Aufnahmegehäuse spreizt, welches sich dadurch mit seinem langen Verstellgewinde mit dem Innengewinde des Kathodengehäuses fest verspannt. Bedingt durch den langen und besonders schlanken Spannzangenkegel erreicht der Spannmechanismus im Kegelbereich Selbsthemmung, die aber zum Lösen des Systems durch umgekehrte Drehung der Spannkappe über den Differentialschraubtrieb wieder aufgehoben werden kann. Während der intensiven Verspannung des Systems im Selbsthemmungszustand legt sich das Außen gewinde des gespreizten Spannzangengehäuses mit dem vollen Gewindeprofil in das Gegen gewinde des Kathodengehäuses und gewährleistet somit zusammen mit den anderen fest ver spannten Kontaktflächen einen optimalen Stromübergang vom Kathodengehäuse zur Elektrode und einen maximalen Wärmeabfluß von der Elektrode in die umgekehrte Richtung. Die Spann zange ist derart dimensioniert, daß sie die Elektrode bereits am unteren Ende des tief in das Kathodengehäuse eingeschraubten Spannzangenaufnahmegehäuses spannen kann, was den Wärmeabfluß von der Elektrode zusätzlich begünstigt und über die große Elektrodennach schleiflänge bei den Betriebskosten einen wirtschaftlichen Vorteil bedeutet.

In den Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3 werden entsprechend dem vorgegebenen Konstruktionsprinzip zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines verfahrenübergreifend konstruierten Lichtbogenschweiß- oder -schneidbrenners mit jeweils einem Plasma- und einem WIG-Brenner sowie weitere Einzelheiten beschrieben.

Im Einzelnen zeigen

Fig. 1 eine mögliche Ausführungsvariante eines Plasmabrenners mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem einschließlich wärmeableitender Gaslinse und gewindeloser Doppelkegeldüse sowie einem Plasmaelektrodenspannsysstem mit Differentialschraubtrieb im Längsschnitt (Fig. 1A) und im Querschnitt (Fig. 1B)

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen indirekt gekühlten Plasmabrenner nach dem Stand der Technik

Fig. 3 eine mögliche Ausführungsvariante eines WIG-Brenners mit einem gleichartigen Kühl system wie in Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß anstelle der Doppelkegeldüse eine Doppelkegelspannzange in das kombinierte Kühl- und Spannsystem eingesetzt ist.

Fig. 4 verschiedene Ausbildungsvarianten der Außenkontur für die sog. Doppelkegel-Plasma düse bzw. -Elektrodenspannzange für die WIG-Brennerversion.

Der flüssigkeitsgekühlte Plasmabrennerkopf nach Fig. 1 wird durch einen Isolator 4 senkrecht zur Brennerachse in einen oberen Kathodenbereich 2 und einen unterhalb des Isolators 4 angeordneten Anodenbereich 3 geteilt, wobei das neu vorgestellte Kühlsystem den Anodenbereich 3 bildet. Die innerste Schale dieses Kühlsystems bildet ein inneres Kühl mantelgehäuse 5, in dessen oberem Bereich der Isolator 4 eingesetzt ist und das im unteren Bereich einen Aufnahmekonus 6 aufweist zur Aufnahme der Doppelkegeldüse 7, die gleich zeitig im Brenner als Anode wirkt. Das innere Kühlmantelgehäuse 5 zentriert an seinem oberen Flanschansatz einen Trennmantel 8 der gleichzeitig an seinem oberen Ansatz des Außendurchmessers ein äußeres Kühlmantelgehäuse 9 zentriert, das sich mit seinem unteren Innendurchmesser wiederum auf dem untersten Außendurchmesser des inneren Kühl mantelgehäuses 5 abstützt. Ein Absatz am Außendurchmesser des äußeren Kühlmantel gehäuses 9 zentriert in seinem oberen Bereich eine Schutzgasdüsenaufnahme 10 und bildet in seinem unteren, nur durch schmale Schutzgasdurchlaßkanäle 11 unterbrochenen Bereich eine gemeinsame Wärmeübergangsfläche mit der Schutzgasdüsenaufnahme 10, wobei eine innere umlaufende Schutzgasverteilkammer 12 im äußeren Kühlmantelgehäuse 9 mit dem Schutzgaszuführrohr 13 direkt in Verbindung steht. In eine Schutzgasdüse 14, die auf das Außengewinde der Schutzgasdüsenaufnahme 10 aufgeschraubt ist, ist eine Gaslinse 15 eingesetzt, die mit ihrem Innenkonus am Außenkegel der Doppelkegeldüse 7 direkt anliegt und diese in den Aufnahmekonus des inneren Kühlmantelgehäuses 5 drückt, wobei das obere Ende der Schutzgasdüse 14 gegen eine Dichtung 16 preßt, die dadurch gegen die kreisringförmige Stirnfläche, der den Brennerkörper umschließenden isolierenden Kunststoffummantelung 17, drückt. Zwischen der unteren Stirnfläche des äußeren Kühlmantelgehäuses 9, die gleichzeitig die Schutzgasaustrittsebene aus dem Brennerkopf darstellt, und der Oberseite der Gaslinse 15 wird durch die Innenwand der Schutzgasdüse 14 und die Außenkontur der Doppelkegeldüse 7 eine umlaufende äußere Schutzgasverteilkammer 18 gebildet, wobei die in diesem Bereich liegende Greifrille 19 an der Außenkontur der Doppelkegeldüse 7 zur Erleichterung der Demontage der Doppelkegeldüse 7 dient. Das, auf gleicher Höhe und hinter dem Kühlmittelaustrittsrohr 20 und im Längsschnitt Fig. 1A von Fig. 1 nicht direkt erkennbare Kühlmitteleintrittsrohr 21 führt das Kühlmedium in den ringspaltartigen, als Hohlzylinder konzipierten äußeren Kühlmantel 22 und von dort über die Umlenkschlitze 23 in den inneren Kühlmantel 24, wobei im unteren, unmittelbar hinter der Doppelkegeldüse 7 liegenden Bereich des inneren Kühlmantels 24 in das innere Kühlmantelgehäuse ringförmige und zum inneren Kühlmantel 24 offene Eindrehungen zur Vergrößerung der Wärmetauscherflächen angebracht sind. Die Innenkontur der Doppelkegel-Plasmaschweiß- oder -schneiddüse 7 wird durch den zentrisch zur Düsenachse angeordneten Plasmakanal an der Düsenspitze, dem Plasmagas vorströmkanal im Mittelteil und der Aufnahmebohrung für ein, die schwer abschmelzende Elektrode 25 zentrierendes und mit Plasmagaskanälen 26 ausgestattetes, keramisches Zentrierrohr 27 gebildet.

Dieser Plasmaschweiß- oder -schneidbrenner weist durch die Anwendung einer sog. Doppel kegelkontur für die Plasmaschweiß- oder -schneiddüse 7 in Bezug auf die Düsenhaupt abmessungen Durchmesser und Länge ein Maximum an Wärmeübergangsflächen auf, was mehr als einer Verdopplung gegenüber den entsprechenden Flächen der Plasmadüse des in Fig. 2 gezeigten Plasmabrenners nach dem Stand der Technik entspricht. Durch die glatten und definierten Kegeloberflächen wird ein Verschleiß der Düsenaufnahmesitze im Brennerkopf vermieden. Die Anordnung zweier koaxialer Kühlmäntel in Verbindung mit der Kühlmittelfließ richtung unter gleichzeitiger Maximierung der Wärmeübergangsflächen stellt einerseits eine größtmögliche Kühlung der wärmeempfindlichen Brennerteile und andererseits einen größt möglichen Wärmeaustrag aus dem Brenner sicher. Durch die Kombination der vorgenannten Merkmale in Verbindung mit der an der Düse 7 direkt anliegenden wärmeableitenden Gaslinse 15 und der aus wärmeleitenden Material gefertigten Schutzgasdüse 14 wird die Effektivität der Brennerkühlung noch erhöht.

Als Spannelement für die nadelartige, schwer schmelzende Plasmaelektrode 25 dient eine massive, mit einem besonders langen und schlanken Kegel ausgestattete geschlitzte Spann zange 28, die in ein ebenfalls geschlitztes Spannzangenaufnahmegehäuse 30 eingesetzt wird. Die Spannkappe 29 weist an ihrem Außendurchmesser ein Gewinde mit geringer Steigung auf, über welches es in dem Spannzangenaufnahmegehäuse 30 gehalten und geführt wird. In dem mit einer großen Steigung versehenen Innengewinde der Spannkappe 29 wird die Spannzange 28 mit der Elektrode 25 eingeschraubt und durch Rechtsdrehen der Spannkappe 29 über die Steigungsdifferenz der beiden Spannkappengewinde in das Spannzangenaufnahmegehäuse 30 gezogen. Das Spannzangenaufnahmegehäuse 30 wird dabei durch den Spannzangenkegel gespreizt und verspannt sich auf die volle Tiefe und über beide Flanken seines Außengewindes mit dem zugehörigen Innengewinde des Kathodengehäuses 31. Obwohl die Elektrode 25 fest und unverschiebbar in der Spannzange 28 geklemmt ist, kann das Spannzangen aufnahmegehäuse 30 über seinen Verstellring in seinem feingängigen Außengewinde gedreht und damit die Elektrode 25 in ihrer Längsrichtung feinjustiert werden. Bedingt durch die inten sive gegenseitige "Verzahnung" der Gewinde von Spannzangenaufnahmegehäuse 30 und Kathodengehäuse 31 muß für die Elektrodenlängsverstellung ein erhöhtes Drehmoment aufgebracht werden, was gleichzeitig sicherstellt, daß sich die Elektrodenposition nicht selbsttätig verstellt.

Durch das Plasmagaszuleitungsrohr 32 wird das Plasmagas in das Kathodengehäuse 31 und von dort über die Spreizschlitze des Spannzangenaufnahmegehäuses 30 und die Plasmagas kanäle 26 im Zentrierrohr 27 und den unteren Bereich der Doppelkegeldüse 7 in den Plasma kanal geleitet.

Fig. 1B zeigt die Einleitung des Kühlmediums durch das Kühlmitteleintrittsrohr 21 in den äuße ren Kühlmantel 22 und die Anordnung des Kühlmittelaustrittsrohres 20 sowie die Lage der Kühlmäntel 22 und 24 zueinander bzw. in Bezug zur Brennerkopfachse des in Fig. 1A darge stellten Plasmaschweiß- oder -schneidbrenners.

Fig. 2 stellt einen, dem Stand der Technik entsprechenden, indirekt wassergekühlten Plasma brenner dar, bei dem das Kühlmedium ein einschaliges Kühlsystem 40, bestehend aus zwei hintereinandergeschalteten Kühlkammern durchströmt ohne, daß das Kühlmedium in die unmittelbare Nähe der Plasmadüsenanlageflächen geleitet wird. Die Plasmadüse 37 wird über einen Gewindeansatz an der Düse in das Aufnahmegewinde des inneren Kühlkörpers ge schraubt, wobei für den Wärmeübergang nur die schmale Düsenstirnfläche und großzügig betrachtet je eine eingreifende Flanke pro Steigung genutzt werden kann. Eine großzügige Dimensionierung des inneren Kühlkörpers im Bereich der Plasmadüsenanlageflächen ist bei diesem Konstruktionsprinzip nicht möglich, da für die an der unteren, zur Plasmadüse 37 zeigenden Stirnfläche des Brennerkopfes Platz für zwei als Gaslinse eingelegte und von einem Federring gehaltene Drahtsiebe 41 geschaffen werden muß.

Die Elektrode 25 wird mittels einer rohrähnlichen, auf einer Seite mit einer kegelartigen Fase versehenen Spannzange 38 im Zwischengehäuse 39 gespannt, in dem die Spannkappe 29 in das Zwischengehäuse 39 eingeschraubt wird und dabei auf das hintere Ende der Spannzange 38 drückt. Aufgrund des in Fig. 2 gut erkennbaren, sehr kurzen Klemmkegels der Spannzange 38 ist auch der intensiv gespannte Elektrodenbereich nur sehr kurz, was die Stromübergangs fläche und die Wärmeabfuhr von der Elektrode 25 deutlich reduziert. Um diesem Mangel zu begegnen, wird in das Kathodengehäuse 31 ein sog. Elektroden-Führungseinsatz 36 ein geschraubt, der federnd an der Elektrode 25 anliegt und auf diese Weise den Stromübergang verbessern sowie Wärme aufnehmen und an das Kathodengehäuse 31 weiterleiten soll. Um zu verhindern, daß sich die über das Zwischengehäuse in Längsrichtung justierte Elektrode 25 unbeabsichtigt wieder verstellt und auch der Stromübergang vom Kathoden- 31 auf das Zwischengehäuse 39 etwas verbessert wird, muß unterhalb des Zwischengehäuses 39 eine zusätzliche lose Druckfeder 35 eingebaut werden.

In Fig. 3 ist ein flüssigkeitsgekühlter WIG-Schweißbrenner dargestellt, dem entsprechend dem vorgegebenen verfahrensübergreifenden Konstruktionsprizip die gleiche Kühltechnik und Schutzgasführung zugrunde liegt, wie sie bereits für Fig. 1 beschrieben wurde. Anstelle der Doppelkegel-Plasmaschweiß- oder -schneiddüse 7 aus Fig. 1 ist eine ebenfalls als Doppelkegel ausgebildete und gewindelose Elektrodenspannzange 33 in die Konusaufnahme des inneren Kühlmantelgehäuses 5 eingesetzt ist. Die Elektrodenspannzange 33 wird wie in Fig. 1 über eine wärmeableitende Gaslinse 15 und eine ebenfalls wärmeleitende Schutzgasdüse 14 mit dem Brennerkopf und dadurch mit dem bereits in Fig. 1 beschriebenen Doppelmantelkühl system verspannt, wodurch eine intensive Kühlung der Elektrode 25 bewirkt wird und gleichzeitig wieder eine zusätzliche äußere Schutzgasverteilkammer 18 entsteht. Bedingt durch die Verwendung gleicher Bauteile kann die im inneren Kühlmantelgehäuse 5 zur Aufnahme des Isolators 4 aus Fig. 1 auf besonders vorteilhafte Weise zur Aufnahme und Abdichtung einer gewindelosen Elektrodenabdeckkappe 34, welche die Elektrode 25 in ihrem hinteren Teil ab deckt, verwendet werden.

Fig. 4 zeigt 5 verschiedene Ausführungen im Hinblick auf mögliche Außenkonturvarianten für die sog. Doppelkegel-Plasmaschweiß- und -schneiddüsen bzw. sog. Doppelkegel-Elektroden spannzangen. In Fig. 4A wird die bereits in Fig. 1 und Fig. 3 gezeigte Doppelkegelkontur die durch zwei mit ihren Fußkreisflächen aneinanderliegende und mit ihren Spitzen in die entgegen gesetzten Richtungen zeigende Kegelstümpfe dargestellt. Der Kegelmantel wird bei den hier verwendeten Kegeln durch eine unter einem Winkel zur Längsachse geneigte, und umlaufende gerade Linie gebildet, wobei die Neigungswinkel der beiden Kegel unterschiedliche Werte ha ben können. Der Doppelkegel aus Fig. 4A wird in Fig. 4B dahingehend variiert, daß im Bereich des vorderen, aus dem Brenner herausragenden Kegel ausschließlich oder zusätzlich ein zylin drischer Ansatz mit einer senkrecht zur Kegellängsachse stehenden Anlagefläche für eine Gaslinse bzw. ein Spannelement angebracht ist, um das Doppelkegelteil mit seinem gegenüberliegenden Kegel in der Aufnahmekontur des inneren Kühlmantelgehäuses 5 zu halten.

Fig. 4C zeigt sinngemäß eine der Fig. 4A entsprechende Außenkontur der Doppelkegel-Plasma düse 7 bzw. der Doppelkegel-Elektrodenspannzange 33, jedoch mit dem Unterschied, daß die Kegelform nicht durch eine um die Kegellängsachse umlaufende gerade Linie erzeugt wird, son dern durch eine gekrümmte, sich stetig der Längsachse nähernde bzw. von ihr entfernende umlaufende Linie beschrieben wird, wobei die Linienkrümmungen unterschiedlichen mathemati schen Gleichungen folgen können. Das Beispiel aus Fig. 4D entspricht sinngemäß dem in Fig. 4B, jedoch mit dem Unterschied, daß der sich in seinem Durchmesser stetig verändernde Kegel entsprechend der Vorstellung von Fig. 4C durch eine gekrümmte umlaufende Linie er zeugt wird.

Bezugszeichenliste

1

Brennerkörper

2

Kathodenbereich bei Plasmabrennern, wenn Elektrode am - Pol anliegt

3

Anodenbereich bei Plasmabrennern, wenn Elektrode am - Pol anliegt

4

Isolator

5

Inneres Kühlmantelgehäuse

6

Aufnahmekonus

7

Doppelkegel-Plasmaschweiß- oder -schneiddüse

8

Trennmantel

9

Äußeres Kühlmantelgehäuse

10

Gasdüsenaufnahme

11

Schutzgasdurchlaßkanal

12

Innere Schutzgasverteilkammer

13

Schutzgaszuleitungsrohr

14

Schutzgasdüse

15

Gaslinse

16

Dichtung

17

Kunststoffummantelung des Brennerkörpers

18

Äußere Schutzgasverteilkammer

19

Greifrille

20

Kühlmittelaustrittsrohr

21

Kühlmitteleintrittsrohr

22

Äußerer Kühlmantel

23

Umlenkschlitze

24

Innerer Kühlmantel

25

Elektrode

26

Plasmagaskanal

27

Zentrierrohr

28

Elektrodenspannzange für Plasmaelektrode

29

Spannkappe

30

Spannzangenaufnahmegehäuse

31

Kathodengehäuse

32

Plasmagaszuleitungsrohr

33

Doppelkegel-Elektrodenspannzange für WIG-Brennervariante

34

Elektrodenabdeckkappe

35

Druckfeder

36

Elektroden-Führungseinsatz

37

Plasmadüse n. d. St. d. Technik

38

Spannzangen. d. St. d. Technik

39

Zwischengehäuse n. d. St. d. Technik

40

Einschaliges Kühlsystem für flüssige Kühlmedien n. d. St. d. Technik

41

Gaslinsensiebe n. d. St. d. Technik, durch Federring gehalten

Anmerkung zu den Bezugszeichennummern 2 und 3

Die Begriffe Kathodenbereich 2 und Anodenbereich 3 gelten für den in der Beschreibung zugrundegelegten Standardanwendungsfall, d. h., daß die Elektrode mit dem - Pol der Strom quelle verbunden ist. Für den selteneren Anwendungsfall, der sog. Plasmapluspol-Schweißung, kehren sich die Bezeichnungen für die Brennerbereiche 2 und 3 um, wobei die beschriebenen Vorteile dieser Brennerkonstruktion auch für diesen Fall gelten.

Claims

1. Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionsprinzip so gehalten ist, daß das für beide Brenner wesentliche Kühlsystem und die Schutzgasverteilung ohne oder nur mit geringfü giger Veränderung der Einzelteile sowohl zur Herstellung von Plasmabrennern als auch zur Her stellung von WIG-Brennern verwendet werden kann.

2. Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß der im Brenner vorgesehene Kühlraum als zwei koa xial zur Brennerachse angeordnete, als Hohlzylinder ausgebildete Ringspalte (22 u. 24) ausge führt ist, die von dem Kühlmedium nacheinander in axialer Richtung gegenläufig durchströmt werden, wobei die axiale Umlenkung in die Gegenrichtung durch einen durchgehenden oder meh rere in Umfangsrichtung verteilte Spalte an unterster Stelle (23), das heißt an der dem Lichtbogen zugewandten Seite, des Kühlsystems und in möglichst unmittelbarer Nähe zur thermisch höchst beanspruchten Stelle des Brennerkörpers erfolgt.

2.1. Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, sowie Kühlsystem hierfür, gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom des den Brenner durchströmenden Kühlmediums durch eine entsprechend enge Spaltführung weitgehend einem Kühlfilm angenähert wird, und dadurch mehr Kühlmittelmoleküle mit den wärmeabgebenden Oberflächen in Kontakt treten.

2.2. Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, sowie Kühlsystem hierfür, gemäß Anspruch 2 und/oder 2.1, dadurch gekennzeich net, daß die Außenkontur des inneren Kühlmantelgehäuses (5), welche mit dem Kühlmedium in Kontakt tritt, an ihren thermisch höchstbelasteten Stellen eine durch mehrere einstichartige Ein drehungen vergrößerte Oberfläche aufweist.

2.3. Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, sowie Kühlsystem hierfür, gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium den als erstes durchströmten Kühlmantel durch eine außermittige Einleitung bedingt, drallbehaftet durchströmt.

2.4. Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, sowie Kühlsystem hierfür, gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium den äußeren Kühlmantel (22) des Brenners zuerst und dann den inneren Kühlmantel (24) durchströmt.

2.5. Flüssigkeitsgekühlter Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, sowie Kühlsystem hierfür, gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium zuerst den inneren Kühlmantel (24) und nach der Umlenkung den äußeren Kühlman tel (22) durchströmt.

2.6. Kühlsystem für flüssigkeitsgekühlte Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 2.5.

3. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gaslinse (15) aus gut wärmeleitendem Material an den thermisch hochbelasteten Bauteilen Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) an groß ausgebildeten Flächen definiert anliegt und einen zusätzlichen Wärmeabfluß aus der Plasma düse (7) beziehungsweise Elektrode und Elektrodenspannzange (33) über die Flächen der Gaslin se (15) und das die Gaslinse (15) durchströmende kalte Schutzgas ermöglicht.

3.1. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Wärmeübergang benutzten Berührflächen an der, konstruktionsabhängig nahestmöglichen Stelle, von Plasmadüsenspitze beziehungsweise Elektrodenspitze eines WIG-Brenners liegen.

3.2. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach Anspruch 3 und 3.1, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Wärmeübergang benutzten wär meleitenden Bauteile Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) und Gas linse (15) mit dem Brennerkörper (1) und der Schutzgasdüse (14) im Betriebszustand axial ver spannt sind, wobei die Spannkraft durch die Montage der Schutzgasdüse (14) aufgebracht wird, ähnlich einer Überwurfmutter.

3.3. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach Anspruch 3 bis 3.2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasdüse (14) aus einem gut wär meleitenden Material besteht und dadurch in Verbindung mit der wärmeleitenden Gaslinse (15) ein Wärmefluß von der Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) in das Kühlsystem des Brennerkörpers (1) ermöglicht wird.

3.4. Gaslinse (15) und Schutzgasdüse (14) sowie Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG- Elektrodenspannzange (33) für Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 3.3.

4. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, dadurch gekennzeichnet, daß die indirekt gekühlte Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG- Elektrodenspannzange (33) kein Spanngewinde besitzt und eine Geometrie aufweist, die es er möglicht, die Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) über ein weiteres Bauteil, welches die Funktion einer Spann- oder Überwurfmutter übernimmt und auch aus einer Kombination von mehreren Bauteilen, zum Beispiel Gaslinse (15) und Schutzgasdüse (14), beste hen kann, mit dem Brennerkörper (1) zu verspannen.

4.1. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannung der Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) durch ein als Überwurf- oder Spannmutter ausgeführtes Bauteil geschieht.

4.2. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus einer Schutzgasdüse (14) und einer in diese Schutzgasdüse (14) eingesetzte Gaslinse (15) zur Verspannung der Plasmadüse (7) beziehungsweise der WIG-Elektrodenspannzange (33) mit dem Brennerkörper (1) dient, wobei die Gaslinse (15) an der Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) mit einer definierten Fläche anliegt und die Spannkraft durch die Montage der Schutzgasdüse (14) auf den Brenner aufgebracht wird, ähnlich einer Überwurfmutter.

4.3. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 4.2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührflächen von Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) mit dem Brennerkörper (7) und die Berührflächen von Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) mit dem dazugehörigen Bauteil, welches die Wärmeableitung im vorderen Düsen- beziehungsweise Spannzangenbereich gewährleistet, und/oder welches die Spannkraft überträgt, so ausgebildet sind, daß sich die beweglichen Brennerteile, Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektroden spannzange (33) und Gaslinse (15), beim Spannen selbsttätig zueinander und zur Brennerachse zentrisch ausrichten.

4.4. Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, sowie Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) hierfür, nach einem oder meh reren der Ansprüche 4 bis 4.3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG-Elektrodenspannzange (33) im einfachsten Fall die Form zweier Kegel oder Kegelstümpfe aufweist, deren Spitzen voneinander weg zeigen und deren Fußkreisflächen einander zugewandt sind, wobei der eine Kegel die Sitzfläche für das Spannelement bildet und der andere Kegel im Aufnahmekonus (6) des Brennerkörpers (1) aufgenommen wird.

4.5. Gaslinse (15) und Schutzgasdüse (14) sowie Plasmadüse (7) beziehungsweise WIG- Elektrodenspannzange (33) für Lichtbogenschweiß- oder Schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 4.4.

5. Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, und Elek trodenspannsystem hierfür, dadurch gekennzeichnet, daß die nadelförmige, schwer schmelzende Elektrode (25) in einer Spannzange (28) gehalten wird, die an einem Ende mit einem Gewinde ausgestattet und ihre für die Krafterzeugung zur Elektrodenklemmung vorgesehene Kontur als ein derart schlanker Außenkegel ausgebildet ist, daß nach der Betätigung der Spannkappe (29), wel che die Spannzange (28) über ihr gemeinsames Gewinde in ihren Gegenkegel bewegt, bedingt durch die entsprechend schlanke Kegelpaarung in jedem Fall eine Verspannung mit Selbsthem mung gewährleistet ist, wobei beim Lösen des blockierten Systems durch Drehung der Spann kappe (29) in die entgegengesetzte Richtung zwangsweise eine Längskraft erzeugt wird, welche den Selbsthemmungszustand aufhebt und die Spannzange (28) selbsttätig aus dem Klemmkegel bewegt.

5.1. Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, und Elektrodenspannsystem hierfür, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannkappe (29), welche die Elektrodenklemmung durch die Längsbewegungung der Spannzange (28) bewirkt beziehungswei se aufhebt, während des Spannvorgangs mit der Spannzange (28) über das gemeinsame Gewin de verbunden und gleichzeitig selbst im Brennerkörper (1) oder in einem separaten Spannzan genaufnahmegehäuse (30) axial direkt oder über ein entsprechendes Gewinde gehalten ist.

5.1.1. Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, und Elektrodenspannsystem nach Anspruch 5.1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannkappe (29), welche die Elektrodenklemmung durch die Längsverschiebung der Spannzange (28) bewirkt be ziehungsweise aufhebt mit zwei Gewinden ausgebildet ist, die eine Steigungsdifferenz aufweisen, wobei, bedingt durch die Steigungsdifferenz dieser beiden Gewinde, beim Drehen der Spannkap pe (29) die Spannzange (28) pro Umdrehung um diesen Steigungsdifferenzbetrag in ihrer Längs richtung verschoben wird und dieser Differentialschraubtrieb gleichzeitig eine entsprechend große Kraft für den Elektrodenspannvorgang beziehungsweise für die Aufhebung eines sich in Selbst hemmung befindlichen Systems erzeugt.

5.1.2. Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner, insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner, und Elektrodenspannsystem nach Anspruch 5.1 und 5.1.1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann kappe (29) mit einem grobgängigen Innengewinde zur Bewegung der Spannzange (28) und einem feingängigen Außengewinde zur axialen Festlegung im Brennerkörper (1) oder in einem separaten Spannzangenaufnahmegehäuse (30) ausgebildet ist.

5.2. Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner, insbesondere Plasmabrenner, und Elektroden spannsystem hierfür, dadurch gekennzeichnet, daß die nadelförmige, schwer schmelzende Elek trode (25) in einer Spannzange (28) gehalten wird, die mit ihrem Außenkegel in einem mit einem passenden Gegenkegel versehenen und in diesem Kegelbereich in Längsrichtung geschlitzten Spannzangenaufnahmegehäuse (30) aufgenommen wird, welches an seiner Außenkontur in sei nem dünnwandigen und geschlitzten Bereich ein Gewinde aufweist und sich, bedingt durch das Spannen der Elektrode (25) in der Spannzange (28) über ihren Kegelsitz, radial aufweitet und dadurch in das zugehörige Innengewinde des Brennerkörpers (1) mit beiden Gewindeflanken großflächig und fest einfügt.

5.3. Elektrodenspannsystem für Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 5.2.

6. Lichtbogenschweiß- oder schneidbrenner insbesondere Plasma- oder WIG-Brenner nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.