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Dokumentenidentifikation DE102008013135B4 28.04.2011
Titel Schutzgasschweißbrenner
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Denzer, Klaus, 74239 Hardthausen, DE;
Krautter, Karl, 74182 Obersulm, DE
DE-Anmeldedatum 07.03.2008
DE-Aktenzeichen 102008013135
Offenlegungstag 17.09.2009
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse B23K 9/29  (2006.01)  A,  F,  I,  20080307,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse B23K 9/173  (2006.01)  A,  L,  I,  20080307,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Schutzgasschweißbrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Schutzgasschweißbrenner werden in Verbindung mit Schweißautomaten oder auch für einen Handbetrieb als sogenannte Schweißpistolen eingesetzt.

Aus der DE 298 80 112 U1 ist ein Schutzgasschweißbrenner bekannt, der eine Drahtführungs-Stromdüse aufweist, die von einer Schutzgasdüse umschlossen ist. Die Drahtführungs-Stromdüse wird allgemein auch als Kontaktrohr bezeichnet, durch das ein Schweißdraht nachgeführt wird. Das Kontaktrohr begrenzt zusammen mit der äußeren Schutzgasdüse einen düsenmundseitig offenen Strömungsringspalt. Dieser wird ausgehend von zumindest einer Verteileröffnung von Schutzgas durchströmt, das den Schweißbrenner am Düsenmund verlässt.

Während des Schweißvorganges wird ein Lichtboden zwischen dem vorderen Drahtende des Schweißdrahtes und dem Werkstück erzeugt. Dabei wird zur Erzeugung einer Schweißraupe der Schweißdraht durch das Kontaktrohr nachgeführt und abgeschmolzen. Das während des Schweißvorganges aus der Schutzgasdüse strömende Schutzgas schützt das Schmelzbad vor Oxidation, die die Schweißraupe schwächen würde. Die Düsengeometrie ist dabei so ausgelegt, dass eine vollständige Schutzgasabdeckung des Schmelzbades gewährleistet ist. Beispielsweise ist der Durchmesser an der Gasaustrittsöffnung der Schutzgasdüse relativ groß gestaltet, wodurch zwar eine oxidationsfreie Schweißraupe erzeugt werden kann, jedoch bei einer Steigerung der Schweißgeschwindigkeit nicht die Qualität und ein optisch günstiges Erscheinungsbild der Schweißraupe gewährleistet ist.

Aus der DE 103 41 492 B4 ist ein gattungsgemäßer Schutzgasschweißbrenner bekannt. Dieser weist eine grundsätzlich mit dem erfindungsgemäßen Schutzgasschweißbrenner übereinstimmende Strömungsführung auf. Gemäß der DE 103 41 492 B4 wird das Schutzgas zunächst durch eine zentrale Zuführungsbohrung bis zum unteren Ende des Düsenstockes geführt und dort über Querbohrungen in einen düsenmundseitig offenen Strömungsringspalt eingeleitet. Die Querbohrungen sind unmittelbar am unteren Ende des Düsenstockes ausgebildet. Das untere Ende des Düsenstockes ist wiederum mit einem als Stromdüse bezeichneten Kontaktrohr verschraubt. Die Innenkontur des Strömungsringspaltes ist somit teilweise vom Düsenstock sowie teilweise vom Kontaktrohr begrenzt. Aus der US 2002/0017504 A1 ist ein weiterer Schutzgasschweißbrenner bekannt, bei dem die Zylinderfläche des Kontaktrohrs keine radiale Verteileröffnung aufweist, sondern vielmehr geschlossen gestaltet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schutzgasschweißbrenner bereitzustellen, bei dem unter optimaler Ausnutzung der ausströmenden Schutzgasmenge eine qualitativ hochwertige Schweißnaht mit optisch vorteilhafter Anmutung erzeugt werden kann.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, dass die Geometrie des Strömungsringspaltes zwischen dem Kontaktrohr und der Schutzgasdüse von entscheidender Bedeutung für die Lichtbogengeometrie ist. Von der Lichtbogengeometrie hängt wiederum die auf die Werkstückoberfläche aufbringbare Strom- bzw. Leistungsdichte ab.

Vor diesem Hintergrund ist erfindungsgemäß die Kontur einer, den Strömungsringspalt begrenzenden Ringinnenseite stufenfrei bis zum Düsenmund kontinuierlich verjüngt. Je nach konkreter Ausführung des Schweißbrenners kann die Ringinnenseite alleine von dem Kontaktrohr oder alternativ vom Kontaktrohr und gleichzeitig vom Düsenstock ausgebildet sein. Das Kontaktrohr und/oder der, das Kontaktrohr tragende Düsenstock begrenzen somit den Strömungsringspalt mit einer kegelförmig zulaufenden Kontur, ohne dass stufenförmige Absätze, Rücksprünge oder Hinterschneidungen vorgesehen sind. Der Strömungsringspalt reicht von einer Verteileröffnung zur Zuführung des Schutzgases bis zur Stirnseite des Kontaktrohrs.

Demgegenüber sind bei Standardbrennern am Übergang zwischen dem Düsenstock und dem Kontaktrohr oftmals Stufensprünge vorhanden. Das daran vorbeiströmende Schutzgas verwirbelt daher, so dass sich keine laminare Strömung des Schutzgases ausbilden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Geometrie des Strömungsringspaltes wird die Schutzgasströmung derart beeinflusst, dass der Lichtbogen wesentlich stabiler wird und eine bessere Tropfenablösung erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Laminarströmung erhöht sich zudem die Strömungsgeschwindigkeit an der Gasaustrittsöffnung. Dies hat zur Folge, dass der Lichtbogen gebündelt bzw. kontrahiert wird. Entsprechend kann mit höherer Strom- bzw. Leistungsdichte sowie mit höheren Prozessgeschwindigkeiten auf der Bauteiloberfläche gearbeitet werden.

Die Strömungsbedingungen innerhalb der Schutzgasdüse werden weiter gesteigert, wenn der Strömungsringspalt zwischen der Verteileröffnung und dem Düsenmund frei von anderen Bauteilen ist, etwa einer Verbindungsbuchse zur Kupplung des Kontaktrohres mit dem Düsenstock oder einer Spritzschutzkappe.

Eine kontinuierliche, stufenfreie Innenseiten-Kontur kann besonders einfach erreicht werden, wenn das Kontaktrohr und der, das Kontaktrohr tragende Düsenstock materialeinheitlich und/oder einstückig ausgebildet sind. Auf diese Weise kann fertigungstechnisch einfach die aus Kontaktrohr und Düsenstock bestehende Baueinheit entsprechend bearbeitet werden, so dass eine gewünschte, lineare Kegelkonturlinie zwischen der Verteileröffnung und der Stirnseite des Kontaktrohres erzielt wird.

Als strömungstechnisch vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Drahtaustrittsöffnung des Kontaktrohres sich innerhalb der Schutzgasdüse befindet und vollständig vom Schutzgas umspült ist. In diesen Fall überragt die Schutzgasdüse das Kontaktrohr, wodurch eine verwirbelungsfreie laminare Ausströmung des Schutzgases aus dem Schutzgasdüsenmund unterstützt wird.

Die oben beschriebene frontseitige Verlängerung der Schutzgasdüse über das Kontaktrohr hinaus schafft einen zusätzlichen Ringraum, der dem Strömungsringspalt nachgeschaltet ist. Während des Bearbeitungsvorgangs reicht der Lichtbogen bis in diesen Ringraum hinein, wodurch dieser radial nach außen teilweise von der Schutzgashülse umschlossen ist. Hierdurch wird der Lichtbogen zusätzlich im Sinne der Erfindung stabilisiert. Im Zusammenspiel mit den erfindungsgemäß verbesserten Strömungsbedingungen kann somit die Prozessgeschwindigkeit weiter erhöht werden.

Bevorzugt ist zwischen dem Kontaktrohr bzw. dem Düsenstock und der Schutzgasdüse ein ringförmiges Spritzschutzelement geschaltet. Bevorzugt kann das Spritzschutzelement in Schutzgasströmungsrichtung unmittelbar hinter der Verteileröffnung angeordnet sein. Das Spritzschutzelement ragt somit nicht in den Strömungsringspalt hinein, wodurch stufenförmige Absätze stromab der Verteileröffnung vermieden werden können. Bevorzugt kann das Spritzschutzelement als Strömungsleiter verwendet werden. Beispielhaft kann es auf Höhe der Verteileröffnung bündig abschließen und eine Umlenkung der Schutzgasströmung in Richtung des Düsenmundes übernehmen.

Die Schutzgasdüse kann sich, wie auch das Kontaktrohr, in Richtung auf den Düsenmund konisch verjüngen. Auf diese Weise wird bevorzugt bis zum Bereich des Gasaustrittes der Strömungsquerschnitt reduziert und zugleich die Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich gesteigert. Die Schutzgasdüse kann erfindungsgemäß so stark verjüngt sein, dass sich am Gasaustritt bevorzugt ein geringer Durchmesser von weniger als 6 mm einstellt, wodurch die oben erwähnten Effekte auf die Lichtbogengeometrie gesteigert werden.

Erfindungsgemäß ist der Strömungsringspalt innenseitig durch eine Zylinderfläche und eine daran stumpfwinklig anschließende Konusfläche begrenzt. Dabei mündet die Verteileröffnung als eine Radialöffnung auf der Zylinderfläche in den Strömungsringspalt hinein.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figur beschrieben.

In der Fig. ist in einem Längshalbschnitt der Kopf eines Schutzgasschweißbrenners mit einer innenliegenden Drahtführungs-Stromdüse gezeigt, die nachfolgend als Kontaktrohr 1 bezeichnet wird. Der Schutzgasschweißbrenner ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, so dass die untere, nicht gezeigte Brennerhälfte im Wesentlichen baugleich mit der gezeigten oberen Brennerhälfte ist.

Das Kontaktrohr 1 ist über einen Strömungsringspalt 3 beabstandet von einer Schutzgasdüse 5 umschlossen. Der Strömungsringspalt 3 reicht von einer später beschriebenen Verteileröffnung 33 über eine Länge l bis zur Stirnseite des Kontaktrohrs 1. Außerdem läuft die Schutzgasdüse 5 in Richtung auf ihren stirnseitigen Düsenmund 7 kontinuierlich kegelförmig zu. Ebenso weist auch das Kontaktrohr 1 einen Kegelabschnitt 9 auf, mit der sich bis zum Düsenmund 7 kontinuierlich mit linearer Mantellinie verjüngt.

Das Kontaktrohr 1 ist gemäß der Fig. mit einer an den Kegelabschnitt 9 stumpfwinklig anschließenden zylindrischen Verlängerung 11 in eine zentrale Ausnehmung 13 eines Düsenstockes 15 eingebaut, etwa verschraubt oder eingepresst. Alternativ kann das Kontaktrohr 1 auch als Baueinheit materialeinheitlich und einstückig mit dem Düsenstock 15 ausgeführt sein. Der Düsenstock 15 sitzt über eine äußere Ringschulter 17 in bekannter Weise auf einem nur angedeuteten Düsenstockträger 19, der ebenfalls von der Schutzgasdüse 5 umschlossen ist.

Der Düsenstock 15 weist einen zentralen Aufnahmekanal auf, in den ein, den Brennerkopf tragendes Außenrohr 21 bis zu einer inneren Ringschulter 23 des Düsenstockes 15 eingeschoben ist. Innerhalb des Rohres 21 verläuft in bekannter Weise ein nach innen und außen hin isolierter elektrischer Leiter 25, der mit seinem vorderen Ende in leitendem elektrischen Kontakt mit dem Düsenstock 15 ist.

Durch den schlauchförmigen Leiter 25 den Aufnahmekanal des Düsenstocks 15 sowie durch einen Durchführungskanal 27 des Kontaktrohrs 1 wird ein, während des Schweißvorganges nachführbarer Schweißdraht 29 geführt. Der schlauchförmige elektrische Leiter 25 dient zugleich auch als Schutzgaszuführungskanal, durch den das Schutzgas in den Durchführungskanal 27 des Kontaktrohrs 1 und weiter über radiale Verteilerkanäle 31 in den Strömungsringspalt 3 geleitet wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel mündet der Verteilerkanal 31 mit seiner Verteileröffnung 33 im Bereich der zylindrischen Kontaktrohr-Verlängerung 11 in den Strömungsringspalt 3 ein.

In einer Strömungsrichtung des Schutzgases hinter der radialen Verteileröffnung 33 ist ein ringförmiges Spritzschutzelement 35 vorgesehen, das zwischen dem Kontaktrohr 1 und der Schutzgasdüse 5 geschaltet ist. Das Spritzschutzelement 35 ist unmittelbar hinter der Verteileröffnung 33 angeordnet und stirnseitig angefast, so dass der Außenrand des Spritzschutzelementes 35 den Innenrand überragt. Das auf diese Weise angefaste Spritzschutzelement 35 übernimmt somit eine strömungsgünstige Umlenkung der aus den Verteilerkanälen 31 kommenden Schutzgasströmung in Richtung auf den Düsenmund 7.

Die Schutzgasströmung wird somit ohne größere Verwirbelungen nahezu laminar in den Ringspalt 3 gelenkt. Zur weiteren Unterstützung einer Laminarströmung des Schutzgases sind die, den Ringspalt 3 begrenzenden Innenseiten der Schutzgasdüse 5 und des Kontaktrohres 1 stufen- und kantenfrei gestaltet.

Gemäß der Fig. ist die, denn Strömungsringspalt 3 begrenzenden Innenseite ausnahmslos durch das Kontaktrohr 1 gebildet. Dabei überragt die Schutzgasdüse 5 die Stirnseite des Kontaktrohres 1, wobei der Durchmesser einer Gasaustrittsöffnung 37 der Schutzgasdüse 5 bei 4 mm liegt.


Anspruch[de]
Schutzgasschweißbrenner mit einem Kontaktrohr (1), durch das ein Schweißdraht (29) zu einer Schweißstelle geführt ist, und einer das Kontaktrohr (1) umschließenden Schutzgasdüse (5), die mit dem Kontaktrohr (1) einen düsenmundseitig offenen Strömungsringspalt (3) begrenzt, der auf der den Strömungsringspalt (3) begrenzenden Ringinnenseite (9, 11) durch eine Zylinderfläche (11) und eine daran anschließende bis zum Düsenmund (7) kontinuierlich verjüngte Konusfläche (9) begrenzt ist, und der ausgehend von zumindest einer als Radialöffnung auf der Zylinderfläche (11) in den Strömungsringspalt (3) mündenden Verteileröffnung (33) von Schutzgas durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die den Strömungsringspalt (3) innenseitig begrenzende Zylinderfläche (11) mit der darin ausgebildeten mindestens einen Verteileröffnung (33) im Kontaktrohr (1) ausgebildet ist. Schutzgasschweißbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kontaktrohr (1) und dem Düsenstock (15) und der Schutzgasdüse (5) ein ringförmiges Spritzschutzelement (35) geschaltet ist. Schutzgasschweißbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzschutzelement (35) in Schutzgasströmungsrichtung hinter der Verteileröffnung (33) angeordnet ist. Schutzgasschweißbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzschutzelement (35) strömungsleitend angefast ist. Schutzgasschweißbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasdüse (5) in Richtung auf den Düsenmund (7) konisch verjüngt ist. Schutzgasschweißbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasdüse (5) das Kontaktrohr (1) überragt. Schutzgasschweißbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Austrittsöffnung (37) der Schutzgasdüse (5) in einem Bereich von 3 mm bis 6 mm liegt. Schutzgasschweißbrenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasdüse (5) das Kontaktrohr (1) in einem Bereich von 2 mm bis 10 mm überragt.






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