EP0961527A1 - Welding torch - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a plasma torch or Plasma arc welding torch and refers here particularly on improvements in gas flow to Cooling and operating the burner.
- Plasma arc welding torches usually have an electrode and a nozzle element in which the working tip of the Electrode is supported so that the end face of the electrode a head wall of the nozzle element having a plasma outlet opening opposite.
- the electrode and the nozzle element can be relative to each other between a position in which the Electrode touches the head wall of the nozzle element, and one Position in which the electrode is a working distance from the head wall is spaced, movable so that a pilot arc can be generated if the electrode is from the Head wall moved away to their working position.
- the head wall and the head surface form the electrode a gas space, which a plasma or arc gas is supplied and from which a plasma jet through the Exhaust port exits when between the electrode and the Nozzle element an arc current flows.
- this operates in a mode in which the Arc is not transferred to the workpiece; if that Nozzle element is brought into the vicinity of a workpiece the arc is transferred to it and the welding torch then operates in an arc transfer mode.
- Such Welding torches are sufficient for use when heating, Welding, cutting, melting, tempering etc. known.
- the plasma gas upstream of the gas space To give swirl movement which serves cooling purposes on the one hand, on the other hand, has the purpose of bundling the ejected plasma jet to keep in line with the axis of the electrode.
- Such a swirl can result in a good quality plasma arc be generated. It also improves the cutting speed and thus the economy and efficiency of the work performed and is general in operation the welding torch.
- welding torches with fixed nozzle and electrode arrangement gas with swirl To face inward on the end faces of the electrode to remove erosion deposits to remove or even from the nozzle element not to let it occur and thus increase its lifespan increase.
- the slackening of the twist motion is to explain that the gas as soon as it leaves the passage or exits the passages which give the gas the swirl movement, to and through the gas space Inner surfaces of the nozzle element to the plasma jet outlet opening moves that are evenly shaped and therefore unsuitable, the maintain initial swirl motion. Also learns the swirling gas usually has a pressure drop when it comes out of the Passage or the passages in which the swirling exits is generated, with such a pressure loss to weaken of the swirl contributes to the swirl flow.
- the object of the invention is the flow behavior of the gas relative to the electrode and nozzle element of a plasma torch to improve.
- a nozzle element be created for a plasma torch with an arrangement which gives the plasma gas a twist when it goes to and through the outlet opening one between the electrode and the nozzle member arranged gas space flows.
- a plasma arc welding torch is used with an improved nozzle and Electrode arrangement for controlling the plasma gas flow created, to achieve the best possible cooling and one plasma jet emerging as straight as possible and a good one Obtain plasma gas shielding for the beam.
- a plasma torch with nozzle and Electrode elements created to generate a pilot arc are displaceable relative to each other and so in Can be brought into contact or separated from each other, whereby the burner has improved gas flow control, thereby a gas bias of the components both for their contacting as well as optimized for their separation.
- the invention turns into a plasma welding torch indicated with a nozzle and electrode arrangement, for an improved flow characteristic of the plasma gas ensures and the high quality of the arc beam and thus the work performed as well as a special one high efficiency and low operating costs of the welding torch can be achieved.
- the present invention provides an improved nozzle element and electrode assembly for a plasma arc welding torch created, in which the aforementioned and other disadvantages inherent in controlling gas flow be reduced to a minimum or completely overcome.
- the head wall of the nozzle element with the outlet opening for the plasma jet with a Provide guide arrangement that ensures that the extent plasma gas entering the gas chamber radially along the head wall with swirl to the outlet opening, the gas up is swirled to the entrance of the plasma jet outlet in order to to press or radially constrain it into a beam that is particularly straight and has a high stability against has side deflection.
- the gas flow is swirled only in the direction of flow behind the working tip of the electrode, so that he has no erosive influence on them and thereby does not shorten the life of the electrode.
- the gas Preferably gives the gas the twisting motion that the inside the head wall of the nozzle element with several, in the circumferential direction spaced, arcuate ribs is provided between them curved, approximately spiral from the outer edge of the gas chamber to Exhaust opening extending channels are formed which the plasma gas give the swirl movement where the plasma arc or beam is generated.
- the plasma gas can reach the tip of the electrode, if the latter hits the ribs, the available force to push the electrode back out of contact with the Increase nozzle element.
- one of which is pressurized by means of a solenoid valve controlled piston arrangement is provided and actuated to bring the electrode into contact with the nozzle element the contact force between the working tip of the electrode and the nozzle element due to the smaller contact area between the electrode and the nozzle element with the same Gas pressure will increase.
- the gas pressure can also be reduced, which is required to have a good electrical Contact between the electrode and the nozzle element too create compared to the one that is then required if an electrode against a smooth inner surface of the nozzle element bumps.
- the nozzle element is on a welding torch body together with a coaxial sleeve arrangement mounted, which forms an annular cooling cavity, through which a portion of the plasma gas can flow, and preferably a conical gas protection jacket around the out of the gas space forms in the interior of the nozzle element emerging plasma jet.
- the coaxial sleeve elements preferably clamp axially Flange arrangement on the outer edge of the nozzle element near one its ends and the flange and the corresponding end of the Nozzle element with one through the welding torch body associated with swirling gas, part of the gas flows outward and over the flange assembly while the remaining part of the gas inside the nozzle element and flows along the electrode to the gas space.
- the nozzle element points on its outer edge an axially extending recess in the flow direction behind the flange arrangement through which the over the flange assembly gas flowing radially outward and axially is deflected forward in front of the nozzle element and so one Shielding gas jacket around the plasma jet emerging from the gas space forms.
- the flange arrangement stands with the annular Cooling cavity communicates and provides, together with the recess downstream, for a simply constructed nozzle element, at which the flow of part of the plasma gas is controlled to to achieve cooling and a conical protective gas jacket train while the rest of the gas between that Nozzle element and the electrode is directed to the gas space to get there and generate a plasma jet.
- the arranged in the flow direction of the gas in front of the nozzle element is.
- the structure of the nozzle element enables an external flow into the cooling space and along the outside of the nozzle element and thereby produces a preferably conical Gas shield regardless of the plasma gas in the gas space, the result its swirl movement is given immediately at the point which creates the plasma jet.
- FIG. 1 and 2 show an arc plasma welding torch 10 with a body part 12 aligned coaxially to an axis A, that a coaxially arranged nozzle element, an electrode and has an arrangement for electrode displacement, the following will be described in detail.
- the information “below” and “above” are accordingly the vertical orientation of the welding torch 10 in FIG. 1 and 2 used.
- the body part 12 has a lower, provided with an internal thread 14 and an external thread 16 The End.
- a swirl ring construction arranged, a sleeve 18 made of insulating material and has a mounting sleeve 20 and with one arranged on the sleeve 18 External thread 22 in the internal thread 16 on the body part. 12 is screwed in.
- the insulating sleeve 18 is on its inner wall with a plurality of radial passage openings 24 and with an O-ring seal 26 provided in an extending on the circumference of the sleeve Ring groove is added.
- the mounting sleeve 20 has at its lower end an end face 28 transverse to axis A.
- a nozzle element 34 is mounted at the lower end of the body part 12 at the lower end of the body part 12 at the lower end of the body part 12 is by means of a mounting sleeve or a shield sleeve 36.
- the shield sleeve 36 has an internal thread at its upper section 38, which cooperates with the external thread 14 on the body part 12.
- the nozzle element 34 which will be described in more detail below has an intermediate section with a mounting flange located between the upper and lower ends 40 on that between the end face 28 of the mounting sleeve 20 and one formed at the lower end of the end sleeve 36 by a flange 42 and shoulder extending radially into the sleeve 41 is clamped. As can best be seen in FIG.
- the inside of the shielding sleeve 36 has a conical surface 44, which extends from the shoulder 41 to the internal thread 38 and that radially from the cone wall portion 30 and the ribs 32 the mounting sleeve 20 is spaced and thus a cavity 46 forms, the meaning of which will be explained below.
- Supported electrode 48 which is relative to the nozzle element 34 is displaceable.
- the electrode 48 has an outer cylindrical one Working tip 50 received in the nozzle member 34 and is at the bottom near her End face 52 an insert 54 made of hafnium, zirconium, tungsten or some other suitable material that is used together with the nozzle element when operating the welding torch generate a plasma arc, as is the case with plasma torches is known.
- the electrode 48 is above the working tip 50 with a Provided gas swirl section, the helical swirl grooves 56th has and received in the sleeve 18 of the swirl ring construction is that the grooves 56 together with the sleeve wall are preferred form closed channels.
- the upper end of the electrode 48 is provided with a head 58.
- the between the twist grooves 56 and the sleeve 18 formed, helical channels have inlet gaps, which are below head 58 and close the passage openings 24 are arranged in the sleeve 18.
- the the lower outlet gaps of the channels are above the working tip 50 and are close to each other End faces of the nozzle element 34 and sleeve 18 are arranged.
- the welding torch 10 also has a piston-cylinder arrangement , with the help of the electrode 48 relative to the welding torch body 12 and thus also axially displaceable to the nozzle element 34 is.
- This is at the upper end of the welding torch body 12 a cylinder element 60 with a head part 62 on the top End of the body 12 and provided with a sleeve part 64, the extends downward from the headboard 62 and with its lower one End the sleeve 18 of the swirl ring construction outside in Axial direction overlapped a bit.
- the head part 62 bumps with its lower end on a shoulder 66 in the welding torch body 12 and is at the top with a locking ring 68 in Welding torch body 12 held.
- the outer surface of the sleeve section 64 of the cylinder element 60 is with several axially extending Provide recesses 70 which are distributed over the circumference are spaced from each other. Also in the sleeve section a plurality of passage openings 73 are provided, the radially starting from some or all of the recesses 72 extend through the sleeve portion 64.
- ventilation openings 74 are arranged, which open into an annular channel through an opening 78 in the welding torch body 12 in connection with ambient air is.
- the ventilation openings are between two O-rings 80 arranged in associated, in the outer circumference of the head section 62 trained grooves sit and the head section against seal the inside surface of the torch body 12 if the cylinder element is mounted in this.
- the piston-cylinder arrangement of the welding torch 10 also has a piston element 82 with a head 84, the one has annular sealing ring 86.
- the lower end 88 of the piston member 82 faces the head 58 of the electrode while it is at the top in Form a tube 90 protrudes from the burner.
- the piston 82 is received in the cylinder element 60 and axially in this reciprocable; for this purpose the head 84 of the piston is in the Received sleeve portion 64 of the cylinder member 60, wherein the lower piston end 88 abuts the upper end 58 of the electrode.
- the piston 82 is a compression spring 92 from the in Fig. 2 shown biased down. The piston 82 is in the position shown in Fig.
- the air which are in the starting position of the piston above its piston head 84 is located through the outlets 74, 76, 78 to the outside dissipated.
- the solenoid valve closes the solenoid valve so that the gas pressure at the inlet passage 94 drops and spring 92 piston 82 from that shown in FIG Position moved down, causing the electrode 48 after is moved below.
- the then below the cylinder head 84th Air is through the radial passage opening 96 and derived the pipe channel 98, whereby the Piston is cooled.
- the piston 82 moves down, is air through the holes 74, 76, 78 in the space above of the piston head 84 sucked.
- the plasma gas used as cooling and working gas is therefore in the welding torch body 12 through the inlet 94th supplied, which is designed as a radial opening in the welding torch body and is near the top ends of the recesses 70 is located in the sleeve section 64 of the cylinder element 60.
- the nozzle element 34 approximately tubular and forms a coaxial to the axis A aligned cylinder bore 100 which at the upper end 101 of the Nozzle element 34 is open and so the working tip 50 of the electrode 48 can accommodate.
- the lower end of the cylinder bore is bounded by an end wall 102 arranged transversely to the axis A, in which a plasma arc outlet opening 104 is also coaxial to axis A is provided.
- the mounting flange 40 has one upper and a lower flange side 106 and 108 and one Outside edge and is on with the circumference at regular intervals distributed, V-shaped recesses 110 provided are open to the outside edge.
- nozzle element 34 Below the lower one Flange side 108 of flange 40 has nozzle element 34 first cylindrical section 112, an adjoining flared portion 114 and a second cylindrical section 116, which has a larger diameter has as the first cylindrical portion 112, so that the conical section from the smaller diameter of the first Cylinder section to the larger diameter of the second cylinder section expanded accordingly.
- Each of the recesses 110 on the flange 40 has one opposite first cylinder section 112 radially further outward inner surface 118, i.e. that of the inner surfaces of the recesses 110 defined diameter is larger than the diameter of the first Cylinder section.
- the upper end of the nozzle element 34 is in the Area between the upper flange side 106 and the upper end 101 of the nozzle element is provided with a plurality of axial grooves 120.
- the Number of axial grooves 120 corresponds to the number of recesses 110, wherein each groove 120 is assigned a recess 110 and Groove and associated recess are arranged so that each other the groove base 122 of each groove is coplanar with the radially inner one Surface 118 of the associated recess 110 is.
- the cylinder space 100 of the nozzle element 34 is on its circumference through which from the upper end 101 of the nozzle element to End wall 102 extending cylinder surface 124 delimited.
- the End wall 102 has an inner top surface 126 that is approximately orthogonal runs to the axis A and wrongly shown embodiment between peripheral surface 124 and outlet opening 104 slightly is inclined.
- the peripheral surface 124 goes under one Radius in the top 126 of the end wall 102.
- On the Top side 126 of end wall 102 is a plurality of swirl ribs 130 provided at an even distance around axis A. are arranged and approximately spiral from the peripheral surface 124 extend radially inward towards the outlet opening 104. In the illustrated embodiment, there are six of them Swirl ribs provided.
- each of these ribs has an outer and an inner curved Side wall 132 and 134, which are approximately parallel and in Are spaced from each other, the radial thickness of a Rib sets.
- the arrangement is such that the side walls 132 and 134 a radius of curvature R1 or R2 by one have reference point 136 to the side of axis A.
- the reference point 136 lies on a first reference line 137, which is aligned with a second reference line 139, which is orthogonal to this intersects at a point that is a bit opposite to axis A. is radially offset.
- the reference lines 137, 139 and reference points 136 as centers of curvature for the radii R1 and R2 of adjacent ribs evenly distributed and have an angular distance that is 360 °, divided by the number of ribs. Accordingly would be the reference lines (not shown) and the reference point for the dot-dash line 130 shown in FIG. 5 me 60 ° clockwise from reference line 137 and that Reference point 136 is offset, which is shown in Fig. 5 for the solid shown (left) rib are shown.
- the radius of curvature corresponds the outer ends 140 of the ribs the inner radius of the cylinder wall 124 of the cylinder bore 100.
- FIG. 6 shows that the ribs 130 have an upper side, the radially outer, a bit above the top 126 of the end wall 102 End has an arc section 144 that has a harmonic Forms transition to the inner wall 124 of the cylinder opening 100.
- the Thickness of the ribs in the axial direction to the radially inner end back which in turn has a second arc section 146, which has a practically stepless transition to the top 126 the end wall ensures.
- the top 142 is preferred between their radially inner and radially outer ends convexly curved, which creates a particularly good contact between Electrode and top of the fins when starting the welding torch is achieved.
- the inner diameter the cylinder opening 100 of the nozzle element 34 is approximately 8.636 mm and the inside top 126 of the end wall is about 15 ° inclined to a plane orthogonal to axis A.
- the diameter of the outlet opening 104 is in the exemplary embodiment shown about 1.07 mm, while the radii of curvature R1 and R2 at 3.175 and 2.54 mm, respectively, and the radii R3 and R4 at 1.78 or 4.32 mm.
- the reference point 136 is at a distance from Intersection of lines 137 and 139 of 1.93 mm, the Intersection of these two lines in turn by 0.1016 mm from the Axis A is spaced.
- the radius of curvature of the arcuate Sections 128, 144 and 146 between the inner and end faces, respectively 124, 126 of the nozzle and the outer and inner ends of the ribs 130 is 0.635 mm.
- Each rib is with a radius of 3.175 mm convexly curved on its upper side around a center of curvature, which is 5.26 mm from the axis to the side and 16.33 mm from the top 106 of the flange is removed.
- the electrode is shown in its working position, in which the working tip 50 is at a distance above the end wall 102 of the nozzle element 34 is located.
- electrode and nozzle element are arranged in a manner known per se, that they are connected to each other via a power source, so that a pilot arc was struck between these two components becomes and burns when the electrode is shown in Fig. 2 Position down in contact with the nozzle element 34 or its Swirl ribs 130 brought and then back into their in Fig. 2 shown position is withdrawn.
- the starting process is between the lower end face 52 of the working tip 50 of the electrode and the axially inner top 126 of the end wall 102 of the nozzle element 34 is a plasma gas space 150 formed, the one running around its outer edge, has annular inlet 152 which passes through the annular gap between the inner wall 124 of the nozzle element and the peripheral surface the working tip 50 of the electrode 48 is fixed.
- the end face 52 of the Working tip 50 of the electrode 48 due to the compression spring 92 applied force on the ribs 130.
- a plasma gas is then passed through inlet 94 into the welding torch body 12 initiated and flows through the annular Gap between the body 12 and the cylinder sleeve 64 and axially along the recesses 70 through the passage openings 24 in the sleeve 18 of the swirl ring construction.
- After flowing through the Gas through the radial passage openings 24 acts on the gas pressure onto the underside of the head 58 of the electrode 48 and lifts it so against the bias of the spring 29 upwards in the in Fig. 2nd shown location.
- the gas continues to flow down along the top of the electrode and further through the swirl channels 56 to the lower end of the sleeve 18, where part of the gas with swirl into the annular passage between the inner wall 124 of the nozzle element and outside of the working tip 50 of the electrode flows and from there via an edge entry 152 into the gas space 50 arrives.
- the plasma gas then continues to flow approximately in a spiral inwards in the formed between adjacent ribs 130 Channels, from which it is approximately tangential to the outlet ends Edge of the outlet opening 104 exits. The gas leaves the opening 104 thereby with a twist.
- the gas flows at his Entry 152 into the gas space 150 and radially through it to the outlet opening 104 and in its passage through the between the ribs 130 formed channels 148 and through the curved Sections 144 and 128 near entrance 152 due to the smooth transitions and radii practically without turbulence and there will be a particularly good flow transition between the axial-helical course along the working tip 50 the electrode 48 and the spiral, radially inward Flow in channels 148 along ribs 130 in Direction towards the outlet opening 104 reached.
- the design of the transition flow also has a special one Advantage that the direction of the swirl flow around the Working tip 52 of the electrode around in the flow direction the chamber 150 of the direction of flow of the gas through the channels 148 between the ribs, which also leads to that a transition flow with very little or no Turbulence is developing.
- the torch After creating the pilot arc the torch is operated in pilot arc mode, in which the Arc has not yet jumped onto a workpiece. Of the Torch can then be in the vicinity of a workpiece for arcing are moved, the torch then in the arc transmission mode is working.
- the special design of the nozzle element 34 has during operation the welding torch also has special advantages in direction control of the partial flow of the plasma gas provided for cooling.
- Another part of the plasma gas flowing through the grooves 120 passes radially outward from the recesses 110 into the annular gap between the surfaces 30 and 44 of the mounting ring or the shield sleeve 36 and the cooling fins 32 into the cavity 46, causing the components of the welding torch in this area be chilled well.
- the invention is not based on that shown and described Embodiment limited, but there are many Changes and additions without going beyond the scope of the invention leave.
- the invention is also possible to be used in such a welding torch where the nozzle and Electrode not slidably arranged to each other, but are stationary, in which case the burner is not moved the electrode in the nozzle element is started, but for this a suitable electrical (radio frequency) circuit use finds.
- the swirl of the gas can also be at its own Flow generated over the end face of the nozzle element be without the previously taken in the direction of flow of the gas Arrangement provided with the helical channels becomes.
- This swirl of the gas upstream can also be generated differently be, for example, that the gas is not through one radial, but one or more tangentially arranged Inlet openings 94 is supplied.
Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmabrenner bzw. Plasma-Lichtbogen-Schweißbrenner und bezieht sich hierbei insbesondere auf Verbesserungen des Durchflusses von Gas zum Kühlen und Betreiben des Brenners.The present invention relates to a plasma torch or Plasma arc welding torch and refers here particularly on improvements in gas flow to Cooling and operating the burner.
Plasma-Lichtbogen-Schweißbrenner weisen üblicherweise eine Elektrode und ein Düsenelement auf, in welchem die Arbeitsspitze der Elektrode abgestützt ist, so daß die Stirnfläche der Elektrode einer eine Plasmaauslaßöffnung aufweisenden Kopfwand des Düsenelementes gegenüberliegt. Die Elektrode und das Düsenelement können relativ zueinander zwischen einer Position, in der die Elektrode die Kopfwand des Düsenelementes berührt, und einer Position, in der die Elektrode von der Kopfwand um einen Arbeitsabstand beabstandet ist, beweglich sein, so daß ein Pilot-Lichtbogen erzeugt werden kann, wenn sich die Elektrode von der Kopfwand weg in ihre Arbeitsposition bewegt. Alternativ können die Elektrode und das Düsenelement auch relativ zueinander ortsfest sein, wobei der Schweißbrenner dann durch Einsatz von Hochfrequenz oder anderer bekannter Startverfahren gezündet wird. Bei allen Ausführungsformen bilden die Kopfwand und die Kopffläche der Elektrode einen Gasraum, dem ein Plasma- oder Lichtbogengas zugeführt wird und aus dem ein Plasmastrahl durch die Auslaßöffnung austritt, wenn zwischen der Elektrode und dem Düsenelement ein Lichtbogenstrom fließt. Beim Starten des Schweißbrenners arbeitet dieser in einem Modus, bei dem der Lichtbogen nicht auf das Werkstück übertragen wird; wenn das Düsenelement in die Nähe eines Werkstückes gebracht wird, wird der Lichtbogen auf dieses übertragen und der Schweißbrenner arbeitet dann in einem Lichtbogenübertragungsmodus. Derartige Schweißbrenner sind hinreichend zum Einsatz beim Erhitzen, Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Anlassen etc. bekannt.Plasma arc welding torches usually have an electrode and a nozzle element in which the working tip of the Electrode is supported so that the end face of the electrode a head wall of the nozzle element having a plasma outlet opening opposite. The electrode and the nozzle element can be relative to each other between a position in which the Electrode touches the head wall of the nozzle element, and one Position in which the electrode is a working distance from the head wall is spaced, movable so that a pilot arc can be generated if the electrode is from the Head wall moved away to their working position. Alternatively, you can the electrode and the nozzle element are also stationary relative to one another be, the welding torch then using high frequency or other known starting process is ignited. In all embodiments, the head wall and the head surface form the electrode a gas space, which a plasma or arc gas is supplied and from which a plasma jet through the Exhaust port exits when between the electrode and the Nozzle element an arc current flows. When starting the Welding torch, this operates in a mode in which the Arc is not transferred to the workpiece; if that Nozzle element is brought into the vicinity of a workpiece the arc is transferred to it and the welding torch then operates in an arc transfer mode. Such Welding torches are sufficient for use when heating, Welding, cutting, melting, tempering etc. known.
Bei den vorgenannten Plasma-Lichtbogen-Schweißbrennern ist es auch bekannt, dem Plasmagas stromaufwärts des Gasraumes eine Drallbewegung zu erteilen, die einerseits Kühlzwecken dient, andererseits den Zweck hat, den ejizierten Plasmastrahl gebündelt auf einer Linie mit der Achse der Elektrode zu halten. Durch einen solchen Drall kann ein qualitativ guter Plasmalichtbogen erzeugt werden. Darüber hinaus verbessert er die Schneidgeschwindigkeit und und damit die Wirtschaftlichkeit und Effizienz der durchgeführten Arbeit und ist allgemein beim Betrieb des Schweißbrenners hilfreich. Es ist auch bekannt, bei Schweißbrennern mit fester Düsen- und Elektrodenanordnung Gas mit Drall nach innen auf die Endflächen der Elektrode zu richten, um Erosionsablagerungen von dem Düsenelement zu entfernen bzw. gar nicht erst auftreten zu lassen und so dessen Lebensdauer zu steigern. Andere Bemühungen hinsichtlich der Steuerung des Gasflusses haben das In-Drall-Setzen des Gases um den aus der Auslaßöffnung des Düsenelementes austretenden Plasmastrahl eingeschlossen, um den Plasmastrahl gegen seitliches Wandern zu stabilisieren und um die Drallstärke und die Geschwindigkeit des in den Gasraum eintretenden Plasmagases vor dem Austreten des Plasmastrahls zu reduzieren, um hierdurch eine gleichmäßige Strömung das Plasmagases zu erzielen und den Lichtbogenstrahl des Schweißbrenners stabil zu halten. In-Drall-Setzen des Gases vor dessen Eintreten in die Gaskammer zwischen der Elektrode und dem Plasmastrahlauslaß umfaßte auch das Lenken des Drallgases radial nach innen um die Arbeitsspitze der Elektrode herum, um den Plasmastrahl gegen seitliches Wandern zu stabilisieren.It is with the aforementioned plasma arc welding torches also known, the plasma gas upstream of the gas space To give swirl movement, which serves cooling purposes on the one hand, on the other hand, has the purpose of bundling the ejected plasma jet to keep in line with the axis of the electrode. Such a swirl can result in a good quality plasma arc be generated. It also improves the cutting speed and thus the economy and efficiency of the work performed and is general in operation the welding torch. It is also known in welding torches with fixed nozzle and electrode arrangement gas with swirl To face inward on the end faces of the electrode to remove erosion deposits to remove or even from the nozzle element not to let it occur and thus increase its lifespan increase. Other efforts to control the Gas flow has the gas swirling around the out of the Outlet opening of the nozzle element including the plasma jet emerging, to prevent the plasma jet from moving sideways stabilize and around the twist strength and the speed of the plasma gas entering the gas space before the Reduce plasma jets in order to achieve a uniform Flow to achieve the plasma gas and the arc beam to keep the welding torch stable. Swirling the gas before entering the gas chamber between the electrode and the plasma jet outlet also included directing the swirl gas radially inward around the working tip of the electrode to stabilize the plasma jet against lateral wandering.
Während die vorgenannten Bemühungen für die Richtungssteuerung des Plasmastrahles und zum Schaffen eines Schutzmantels um diesen herum ihren Zweck erfüllen, bleibt jedoch nachteilig, daß der Drall des Gases zwischen seinem Erzeugungspunkt und dem Plasmastrahlauslaß nachläßt, so daß die gewünschte Bündelung des Strahls zu einer Form, in der er praktisch nur einer geraden Linie zwischen dem Düsenelement und einem Werkstück folgt, nicht voll erreicht wird. Außerdem haben die bis heute bekannten Anordnungen, die im Bemühen geschaffen wurden, die gewünschte Steuerung des Plasmastrahls samt eines Schutzgasmantels darum zu erhalten, einen komplizierten Aufbau und sind daher teuer in Herstellung und Wartung. Das Nachlassen der Drallbewegung ist damit zu erklären, daß das Gas, sobald es aus dem Durchgang oder den Durchgängen austritt, die dem Gas die Drallbewegung erteilen, sich zu dem Gasraum und durch diesen hindurch entlang von Innenflächen des Düsenelementes zu der Plasmastrahlauslaßöffnung bewegt, die gleichmäßig geformt und daher ungeeignet sind, die anfängliche Drallbewegung aufrechtzuerhalten. Außerdem erfährt das wirbelnde Gas meist einen Druckverlust, wenn es aus dem Durchgang oder den Durchgängen austritt, in denen die Verwirbelung erzeugt wird, wobei auch solch ein Druckverlust zur Abschwächung des Dralls der Drallströmung beiträgt.During the aforementioned efforts for directional control of the plasma jet and to create a protective jacket around it around their purpose, however, remains disadvantageous that the swirl of the gas between its point of generation and the Plasma jet outlet subsides, so that the desired bundling of the Beams into a shape in which he is practically only one straight Line does not follow between the nozzle element and a workpiece is fully achieved. In addition, the arrangements known to date have created in an effort, the desired one Control of the plasma jet including a protective gas jacket get a complicated structure and are therefore expensive in Manufacturing and maintenance. The slackening of the twist motion is to explain that the gas as soon as it leaves the passage or exits the passages which give the gas the swirl movement, to and through the gas space Inner surfaces of the nozzle element to the plasma jet outlet opening moves that are evenly shaped and therefore unsuitable, the maintain initial swirl motion. Also learns the swirling gas usually has a pressure drop when it comes out of the Passage or the passages in which the swirling exits is generated, with such a pressure loss to weaken of the swirl contributes to the swirl flow.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Strömungsverhalten des Gases relativ zu der Elektrode und dem Düsenelement eines Plasmabrenners zu verbessern.The object of the invention is the flow behavior of the gas relative to the electrode and nozzle element of a plasma torch to improve.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll ein Düsenelement für einen Plasmabrenner geschaffen werden, mit einer Anordnung, die dem Plasmagas einen Drall erteilt, wenn dieses zur und durch die Auslaßöffnung eines zwischen der Elektrode und dem Düsenelement angeordneten Gasraumes strömt.In a further embodiment of the invention, a nozzle element be created for a plasma torch with an arrangement which gives the plasma gas a twist when it goes to and through the outlet opening one between the electrode and the nozzle member arranged gas space flows.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird ein Plasmalichtbogen-Schweißbrenner mit einer verbesserten Düsen- und Elektrodenanordnung zur Steuerung des Plasmagasflusses geschaffen, um eine möglichst gute Kühlung zu erreichen und einen möglichst geradlinig austretenden Plasmastrahl und eine gute Plasmagasabschirmung für den Strahl zu erhalten.In an advantageous development of the invention, a plasma arc welding torch is used with an improved nozzle and Electrode arrangement for controlling the plasma gas flow created, to achieve the best possible cooling and one plasma jet emerging as straight as possible and a good one Obtain plasma gas shielding for the beam.
Besonders vorteilhaft wird ein Plasmabrenner mit Düsen- und Elektrodenelementen geschaffen, die zum Erzeugen eines Pilotlichtbogens relativ zueinander verschieblich sind und so in Kontakt gebracht bzw. voneinander getrennt werden können, wobei der Brenner eine verbesserte Gasströmungssteuerung hat, wodurch eine Gasvorspannung der Bauteile sowohl für deren Inkontaktbringen als auch für deren Trennen optimiert ist.A plasma torch with nozzle and Electrode elements created to generate a pilot arc are displaceable relative to each other and so in Can be brought into contact or separated from each other, whereby the burner has improved gas flow control, thereby a gas bias of the components both for their contacting as well as optimized for their separation.
Mit der Erfindung wird in zweckmäßiger Ausgestaltung ein Plasmaschweißbrenner mit einer Düsen- und Elektrodenanordnung angegeben, die für eine verbesserte Strömungscharakteristik des Plasmagases sorgt und bei der eine hohe Qualität der Lichtbogenstrahls und damit der durchgeführten Arbeit sowie eine besonders hohe Effizienz und niedrige Betriebskosten des Schweißbrenners erreicht werden.In an expedient embodiment, the invention turns into a plasma welding torch indicated with a nozzle and electrode arrangement, for an improved flow characteristic of the plasma gas ensures and the high quality of the arc beam and thus the work performed as well as a special one high efficiency and low operating costs of the welding torch can be achieved.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Düsenelement- und Elektrodenanordnung für einen Plasma-Lichtbogen-Schweißbrenner geschaffen, bei welchem die vorgenannten und andere, der Steuerung des Gasdurchflusses beiwohnenden Nachteile auf eine Mindestmaß reduziert oder ganz überwunden werden. In dieser Hinsicht ist insbesondere die Kopfwand des Düsenelementes mit der Auslaßöffnung für den Plasmastrahl mit einer Führungsanordnung versehen, die dafür sorgt, daß das am Umfang der Gaskammer eintretende Plasmagas radial entlang der Kopfwand mit Drall zu der Auslaßöffnung geführt wird, wobei das Gas bis zum Eingang des Plasmastrahlauslasses in Drall versetzt wird, um es radial in einen Strahl zu pressen oder einzuengen, der besonders geradlinig ist und eine hohe Stabilität gegen seitliche Ablenkung hat. Die Verwirbelung des Gasstroms erfolgt erst in Durchflußrichtung hinter der Arbeitsspitze der Elektrode, so daß er keinen erosiven Einfluß auf diese hat und dadurch die Lebensdauer der Elektrode nicht verkürzt. Vorzugsweise wird dem Gas die Drallbewegung dadurch erteilt, daß die Innenseite der Kopfwand des Düsenelementes mit mehreren, in Umfangsrichtung beabstandeten, bogenförmigen Rippen versehen ist, zwischen denen gebogene, etwa spiralförmig vom äußeren Rand der Gaskammer zur Auslaßöffnung verlaufende Kanäle ausgebildet sind, die dem Plasmagas die Drallbewegung dort erteilen, wo der Plasmalichtbogen oder -strahl erzeugt wird. The present invention provides an improved nozzle element and electrode assembly for a plasma arc welding torch created, in which the aforementioned and other disadvantages inherent in controlling gas flow be reduced to a minimum or completely overcome. In in this respect is in particular the head wall of the nozzle element with the outlet opening for the plasma jet with a Provide guide arrangement that ensures that the extent plasma gas entering the gas chamber radially along the head wall with swirl to the outlet opening, the gas up is swirled to the entrance of the plasma jet outlet in order to to press or radially constrain it into a beam that is particularly straight and has a high stability against has side deflection. The gas flow is swirled only in the direction of flow behind the working tip of the electrode, so that he has no erosive influence on them and thereby does not shorten the life of the electrode. Preferably gives the gas the twisting motion that the inside the head wall of the nozzle element with several, in the circumferential direction spaced, arcuate ribs is provided between them curved, approximately spiral from the outer edge of the gas chamber to Exhaust opening extending channels are formed which the plasma gas give the swirl movement where the plasma arc or beam is generated.
Bei einem Plasma-Lichtbogen-Schweißbrenner, bei dem die Elektrode und das Düsenelement relativ zueinander zwischen einer Kontaktstellung und einer Arbeitsstellung verschieblich ist, kann das Plasmagas vor die Arbeitsspitze der Elektrode gelangen, wenn letztere gegen die Rippen stößt, um so die verfügbare Kraft zum Zurückschieben der Elektrode aus dem Kontakt mit dem Düsenelement zu steigern. Gleichermaßen kann bei einer Ausführungsform, bei der eine gasbeaufschlagte, mittels eines Magnetventils gesteuerte Kolbenanordnung vorgesehen ist und betätigt wird, um die Elektrode in Kontakt mit dem Düsenelement zu bringen, die Kontaktkraft zwischen der Arbeitsspitze der Elektrode und dem Düsenelement aufgrund des kleineren Kontaktbereiches zwischen der Elektrode und dem Düsenelement bei gleichbleibendem Gasdruck größer werden. Demzufolge kann auch der Gasdruck verringert werden, der erforderlich ist, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode und dem Düsenelement zu schaffen, im Vergleich zu demjenigen, der dann erforderlich ist, wenn eine Elektrode gegen eine glatte Innenoberfläche des Düsenelementes stößt.In a plasma arc welding torch, in which the electrode and the nozzle element relative to one another between one Contact position and a working position is movable, the plasma gas can reach the tip of the electrode, if the latter hits the ribs, the available force to push the electrode back out of contact with the Increase nozzle element. Similarly, in one embodiment, one of which is pressurized by means of a solenoid valve controlled piston arrangement is provided and actuated to bring the electrode into contact with the nozzle element the contact force between the working tip of the electrode and the nozzle element due to the smaller contact area between the electrode and the nozzle element with the same Gas pressure will increase. As a result, the gas pressure can also be reduced, which is required to have a good electrical Contact between the electrode and the nozzle element too create compared to the one that is then required if an electrode against a smooth inner surface of the nozzle element bumps.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Düsenelement an einem Schweißbrennerkorpus zusammen mit einer koaxialen Hülsenanordnung montiert, die einen ringförmigen Kühlungshohlraum bildet, durch den ein Teil des Plasmagases strömen kann, und vorzugsweise einen konischen Gasschutzmantel um den aus dem Gasraum im Inneren des Düsenelementes austretenden Plasmastrahls bildet. Vorzugsweise spannen die koaxialen Hülsenelemente axial eine Flanschanordnung an dem Außenrand des Düsenelementes nahe eines seiner Enden ein, und der Flansch und das entsprechende Ende des Düsenelementes stehen mit einem durch den Schweißbrennerkorpus mit Drall strömenden Gas in Verbindung, wobei ein Teil des Gases nach außen und über die Flanschanordnung strömt, während der restliche Teil des Gases ins Innere des Düsenelementes und entlang der Elektrode zum Gasraum strömt. Das Düsenelement weist an seinem Außenrand eine axial verlaufende Aussparung in Durchflußrichtung hinter der Flanschanordnung auf, durch die das über die Flanschanordnung strömende Gas radial nach außen und axial nach vorn vor das Düsenelement abgelenkt wird und so einen Schutzgasmantel um den aus dem Gasraum austretenden Plasmastrahl bildet. Die Flanschanordnung steht mit dem ringförmigen Kühlhohlraum in Verbindung und sorgt, zusammen mit der Aussparung stromabwärts, für ein einfach aufgebautes Düsenelement, bei dem die Strömung eines Teils des Plasmagases gesteuert ist, um eine Kühlung zu erzielen und einen konischen Schutzgasmantel auszubilden, während der restliche Teil des Gases zwischen das Düsenelement und die Elektrode gelenkt wird, um in den Gasraum zu gelangen und dort einen Plasmastrahl zu erzeugen. Vorzugsweise kommt das zwischen der Elektrode und dem Düsenelement und auf den Gasraum zu strömende Plasmagas von einer Drallanordnung, die in Durchflußrichtung des Gases vor dem Düsenelement angeordnet ist. Der Aufbau des Düsenelementes ermöglicht eine äußere Strömung in den Kühlzwischenraum hinein und entlang der Außenseite des Düsenelementes und erzeugt dadurch ein vorzugsweise konisches Gasschild unabhängig vom Plasmagas im Gasraum, dem dadurch seine Drallbewegung unmittelbar an der Stelle erteilt wird, an der der Plasmastrahl entsteht.In a further embodiment of the invention, the nozzle element is on a welding torch body together with a coaxial sleeve arrangement mounted, which forms an annular cooling cavity, through which a portion of the plasma gas can flow, and preferably a conical gas protection jacket around the out of the gas space forms in the interior of the nozzle element emerging plasma jet. The coaxial sleeve elements preferably clamp axially Flange arrangement on the outer edge of the nozzle element near one its ends and the flange and the corresponding end of the Nozzle element with one through the welding torch body associated with swirling gas, part of the gas flows outward and over the flange assembly while the remaining part of the gas inside the nozzle element and flows along the electrode to the gas space. The nozzle element points on its outer edge an axially extending recess in the flow direction behind the flange arrangement through which the over the flange assembly gas flowing radially outward and axially is deflected forward in front of the nozzle element and so one Shielding gas jacket around the plasma jet emerging from the gas space forms. The flange arrangement stands with the annular Cooling cavity communicates and provides, together with the recess downstream, for a simply constructed nozzle element, at which the flow of part of the plasma gas is controlled to to achieve cooling and a conical protective gas jacket train while the rest of the gas between that Nozzle element and the electrode is directed to the gas space to get there and generate a plasma jet. Preferably that occurs between the electrode and the nozzle element and the gas space to flow plasma gas from a swirl arrangement, the arranged in the flow direction of the gas in front of the nozzle element is. The structure of the nozzle element enables an external flow into the cooling space and along the outside of the nozzle element and thereby produces a preferably conical Gas shield regardless of the plasma gas in the gas space, the result its swirl movement is given immediately at the point which creates the plasma jet.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, worin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an einem Beispiel näher erläutert wird. Es zeigt:
- Fig. 1
- die Bauteile eines erfindungsgemäßen Plasma-Lichtbogen-Schweißbrenners in einer perspektivischen, auseinandergezogenen Darstellung;
- Fig. 2
- den Schweißbrenner nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand im Schnitt;
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf das Düsenelement des Schweißbrenners;
- Fig. 4
- das Düsenelement nach Fig. 3 in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt;
- Fig. 5
- eine die Abmessungen und geometrischen Ver hältnisse der Drallrippen und -kanäle zeigende Detailansicht des Düsenelements; und
- Fig. 6
- einen Querschnitt durch einen Abschnitt der Kopfwand des Düsenelementes entlang der Linie 6-6 in Fig. 5, die das Profil einer erfindungsgemäßen Wirbeirippe in perspektivischer Darstellung zeigt.
- Fig. 1
- the components of a plasma arc welding torch according to the invention in a perspective, exploded view;
- Fig. 2
- the welding torch of Figure 1 in the assembled state in section.
- Fig. 3
- a plan view of the nozzle element of the welding torch;
- Fig. 4
- 3 in a side view and partly in section;
- Fig. 5
- a detailed view of the dimensions and geometrical relationships of the swirl ribs and channels showing the nozzle element; and
- Fig. 6
- a cross section through a portion of the head wall of the nozzle element along the line 6-6 in Fig. 5, which shows the profile of a spine according to the invention in a perspective view.
Fig. 1 und 2 zeigen einen Lichtbogen-Plasma-Schweißbrenner 10
mit einem koaxial zu einer Achse A ausgerichteten Korpusteil 12,
das ein koaxial angeordnetes Düsenelement, eine Elektrode und
eine Anordnung zur Elektrodenverschiebung aufweist, die nachfolgend
im einzelnen beschrieben werden wird. In der weiteren Beschreibung
werden die Angaben "unten" und "oben" entsprechend
der senkrechten Ausrichtung des Schweißbrenners 10 in den Fig. 1
und 2 verwendet.1 and 2 show an arc
Wie sich aus Fig. 2 ergibt, hat der Korpusteil 12 ein unteres,
mit einem Innengewinde 14 und einem Außengewinde 16 versehenes
Ende. Am unteren Ende des Korpusteils 12 ist eine Drallringkonstruktion
angeordnet, die eine Hülse 18 aus Isoliermaterial und
eine Montagehülse 20 aufweist und mit einem an der Hülse 18 angeordneten
Außengewinde 22 in das Innengewinde 16 am Korpusteil.
12 eingeschraubt ist. Die Isolierhülse 18 ist an ihrer Innenwand
mit mehreren radialen Durchlaßöffnungen 24 und mit einer O-Ring-Dichtung
26 versehen, die in einer sich am Umfang der Hülse erstreckenden
Ringnut aufgenommen ist. Die Montagehülse 20 weist
an ihrem unteren Ende eine Stirnfläche 28 quer zur Achse A auf
und hat einen sich von der Stirnfläche nach oben erweiternden
Konuswandabschnitt 30 und einen sich axial von dem Konuswandabschnitt
30 nach oben erstreckenden Bereich mit mehreren V-förmigen
Rippen 32, die axial verlaufend am Umfang der Montagehülse
angeordnet sind. Am oberen Ende der Rippen 32 ist durch radialen
Versprung nach innen ein Absatz (ohne Bezugszeichen) ausgebildet,
der gegen die untere Endfläche des Korpusteils 12 anstößt
und so die Drallringkonstruktion daran festlegt. As can be seen from FIG. 2, the
Am unteren Ende des Korpusteils 12 ist mittels einer Montagehülse
oder einer Schirmhülse 36 ein Düsenelement 34 montiert.
Hierzu hat die Schirmhülse 36 an ihrem oberen Abschnitt ein Innengewinde
38, das mit dem Außengewinde 14 am Korpusteil 12 zusammenwirkt.
Das Düsenelement 34, das weiter unten noch im einzelnen
beschrieben wird, weist einen Zwischenabschnitt mit einem
zwischen dem oberen und unteren Ende angeordneten Montageflansch
40 auf, der zwischen der Stirnfläche 28 der Montagehülse 20 und
einer am unteren Ende der Stirnhülse 36 von einem Flansch 42 gebildeten
und sich radial ins Hülseninnere erstreckenden schulter
41 eingespannt wird. Wie in Fig. 2 am besten zu erkennen ist,
weist die Innenseite der Schirmhülse 36 eine Konusfläche 44 auf,
die sich von der Schulter 41 zum Innengewinde 38 hin erweitert
und die radial von dem Konuswandabschnitt 30 und den Rippen 32
der Montagehülse 20 beabstandet ist und so einen Hohlraum 46
bildet, dessen Bedeutung nachfolgend noch erläutert werden wird.At the lower end of the
Im Schweißbrenner 10 ist weiterhin eine koaxial zur Achse A angeordnete
Elektrode 48 abgestützt, die relativ zum Düsenelement
34 verschieblich ist. Die Elektrode 48 weist eine außen zylindrische
Arbeitsspitze 50 auf, die in dem Düsenelement 34 aufgenommen
ist und die an ihrem unteren Ende in der Nähe ihrer
Stirnfläche 52 einen Einsatz 54 aus Hafnium, Zirkonium, Wolfram
oder einem anderen geeigneten Werkstoff hat, der dazu dient, zusammen
mit dem Düsenelement beim Betrieb des Schweißbrenners
einen Plasma-Lichtbogen zu erzeugen, wie dies bei Plasmabrennern
bekannt ist.In the
Die Elektrode 48 ist oberhalb der Arbeitsspitze 50 mit einem
Gasdrallabschnitt versehen, der schneckenförmige Drallnuten 56
hat und in der Hülse 18 der Drallringkonstruktion so aufgenommen
ist, daß die Nuten 56 zusammen mit der Hülsenwandung vorzugsweise
geschlossene Kanäle bilden. Das obere Ende der Elektrode 48
ist mit einem Kopf 58 versehen. Die zwischen den Drallnuten 56
und der Hülse 18 gebildeten, schneckenförmigen Kanäle haben Einlaßspalte,
die sich unterhalb des Kopfes 58 befinden und nahe
der Durchlaßöffnungen 24 in der Hülse 18 angeordnet sind. Die
unteren Auslaßspalte der Kanäle befinden sich oberhalb der Arbeitsspitze
50 und sind nahe der einander gegenüberliegenden
Stirnflächen von Düsenelement 34 und Hülse 18 angeordnet.The
Der Schweißbrenner 10 weist weiterhin eine Kolbenzylinderanordnung
auf, mit deren Hilfe die Elektrode 48 relativ zum Schweißbrennerkorpus
12 und somit auch zum Düsenelement 34 axial verschiebbar
ist. Hierzu ist am oberen Ende des Schweißbrennerkorpus
12 ein Zylinderelement 60 mit einem Kopfteil 62 am oberen
Ende des Korpus 12 und mit einem Hülsenteil 64 vorgesehen, der
sich vom Kopfteil 62 aus nach unten erstreckt und mit seinem unteren
Ende die Hülse 18 der Drallringkonstruktion außen in
Axialrichtung ein Stück weit überlappt. Der Kopfteil 62 stößt
mit seiner unteren Stirnseite an einem Absatz 66 im Schweißbrennerkorpus
12 an und ist oben mit einem Sicherungsring 68 im
Schweißbrennerkorpus 12 gehalten. Die Außenfläche des Hülsenabschnitts
64 des Zylinderelements 60 ist mit mehreren, axial verlaufenden
Aussparungen 70 versehen, die über den Umfang verteilt
im Abstand voneinander angeordnet sind. Ferner sind im Hülsenabschnitt
eine Vielzahl von Durchlaßöffnungen 73 vorgesehen, die
sich, ausgehend von einigen oder allen Aussparungen 72, radial
durch den Hülsenabschnitt 64 erstrecken. Im Kopfabschnitt 62 des
Zylinderelements 60 sind radial verlaufende Lüftungsöffnungen 74
angeordnet, die in einen Ringkanal münden, der durch eine Öffnung
78 im Schweißbrennerkorpus 12 mit Umgebungsluft in Verbindung
ist. Die Lüftungsöffnungen sind zwischen zwei O-Ringen 80
angeordnet, die in zugehörigen, im Außenumfang des Kopfabschnitts
62 ausgebildeten Nuten sitzen und den Kopfabschnitt gegen
die Innenfläche des Schweißbrennerkorpus 12 abdichten, wenn
das Zylinderelement in diesem montiert ist.The
Die Kolben-Zylinderanordnung des Schweißbrenners 10 weist weiterhin
ein Kolbenelement 82 mit einem Kopf 84 auf, der einen
ringförmigen Dichtring 86 hat. Das untere Ende 88 des Kolbenelements
82 weist zur Kopf 58 der Elektrode, während es oben in
Form einer Röhre 90 aus dem Brenner herausragt. Der Kolben 82
ist in dem Zylinderelement 60 aufgenommen und in diesem axial
hin- und herbewegbar; hierzu ist der Kopf 84 des Kolbens im
Hülsenabschnitt 64 des Zylinderelementes 60 aufgenommen, wobei
das untere Kolbenende 88 am oberen Ende 58 der Elektrode anliegt.
Der Kolben 82 wird von einer Druckfeder 92 aus der in
Fig. 2 gezeigten Stellung nach unten vorgespannt. Der Kolben 82
wird in die in Fig. 2 dargestellte Stellung durch das Plasmagas
verschoben, das unter Druck durch die Einlaßbohrung 94 eingeleitet
wird und axial entlang der Aussparung 70 und dann radial
nach innen durch die Durchlaßöffnungen 24 in der Hülse 18 strömt
und so unter den Kopf 58 der Elektrode gelangt. Ein Teil des
durch den Einlaß 94 eintretenden Gases strömt durch die Querbohrungen
72 und weiter durch in die Röhre 90 mündende Durchlässe
96 und dann aufwärts durch einen von der Röhre 90 gebildeten
Kanal 98. Der Einlaß des Gases durch die Öffnung 94 wird mittels
eines nicht dargestellten Magnetventils gesteuert, das beispielsweise
dann ausgelöst wird, wenn die Bedienperson den Auslöser
zum Starten des Schweißbrenners betätigt. Beim Verschieben
des Kolbens 82 in die in Fig. 2 gezeigte Lage wird die Luft,
die sich in der Ausgangslage des Kolbens oberhalb dessen Kolbenkopfes
84 befindet, durch die Auslässe 74, 76, 78 nach außen
abgeführt. Wenn die Bedienperson den Auslöser losläßt, schließt
das Magnetventil, so daß der Gasdruck am Einlaßdurchgang 94 absinkt
und die Feder 92 den Kolben 82 aus der in Fig. 2 gezeigten
Stellung nach unten bewegt, wodurch auch die Elektrode 48 nach
unten verschoben wird. Die dann unterhalb des Zylinderkopfes 84
befindliche Luft wird durch die radiale Durchlaßöffnung 96 und
den Rohrkanal 98 abgeleitet, wodurch in vorteilhafter Weise der
Kolben gekühlt wird. Während sich der Kolben 82 nach unten bewegt,
wird Luft durch die Bohrungen 74, 76, 78 in den Raum oberhalb
des Kolbenkopfes 84 eingesaugt. Beim Betrieb des Schweißbrenners
strömt Plasmagas kontinuierlich durch den Schweißbrennerkorpus
und an den Düsen- und Elektrodenelementen vorbei, wodurch
es nicht nur den Austritt eines Plasma-Lichtbogenstrahls
ermöglicht, sondern auch für eine Kühlung der verschiedenen Bauelemente
sorgt. Das als Kühl- und Arbeitsgas verwendete Plasmagas
wird also in den Schweißbrennerkorpus 12 durch den Einlaß 94
zugeführt, der als radiale Öffnung im Schweißbrennerkorpus ausgebildet
ist und sich nahe der oberen Enden der Aussparungen 70
im Hülsenabschnitt 64 des Zylinderelementes 60 befindet. The piston-cylinder arrangement of the
Wie sich insbesondere aus den Fig. 3 bis 6 ergibt, ist das Düsenelement
34 etwa rohrförmig und bildet eine koaxial zur Achse
A ausgerichtete Zylinderbohrung 100, die am oberen Ende 101 des
Düsenelements 34 offen ist und so die Arbeitsspitze 50 der Elektrode
48 aufnehmen kann. Das untere Ende der Zylinderbohrung ist
von einer quer zur Achse A angeordneten Stirnwand 102 begrenzt,
in der eine Plasmalichtbogenauslaßöffnung 104 ebenfalls koaxial
zur Achse A vorgesehen ist. Der Montageflansch 40 weist eine
obere und eine untere Flanschseite 106 bzw. 108 sowie einen
Außenrand auf und ist mit über den Umfang in regelmäßigen Abständen
verteilten, V-förmigen Aussparungen 110 versehen, die
nach außen zum Außenrand hin offen sind. Unterhalb der unteren
Flanschseite 108 des Flansches 40 hat das Düsenelement 34 einen
ersten zylindrischen Abschnitt 112, einen sich daran anschließenden,
sich konisch erweiternden Abschnitt 114 und einen zweiten
zylindrischen Abschnitt 116, der einen größeren Durchmesser
hat als der erste zylindrische Abschnitt 112, so daß sich der
konische Abschnitt von den geringeren Durchmesser des ersten
Zylinderabschnitts zu dem größeren Durchmesser des zweiten Zylinderabschnitts
entsprechend erweitert.As can be seen in particular from FIGS. 3 to 6, the
Jede der Aussparungen 110 am Flansch 40 hat eine gegenüber dem
ersten Zylinderabschnitt 112 radial weiter außen liegende Innenfläche
118, d.h. der von den Innenflächen der Aussparungen 110
definierte Durchmesser ist größer als der Durchmesser des ersten
Zylinderabschnittes. Das obere Ende des Düsenelementes 34 ist im
Bereich zwischen der oberen Flanschseite 106 und dem oberen Ende
101 des Düsenelements mit mehreren Axialnuten 120 versehen. Die
Anzahl der Axialnuten 120 entspricht der Anzahl der Aussparungen
110, wobei jeder Nut 120 eine Aussparung 110 zugeordnet ist und
Nut und zugehörige Aussparung so zueinander angeordnet sind, daß
der Nutgrund 122 einer jeden Nute koplanar zu der radial innenliegenden
Fläche 118 der zugehörigen Aussparung 110 ist.Each of the
Der Zylinderraum 100 des Düsenelementes 34 wird an seinem Umfang
durch die sich vom oberen Ende 101 des Düsenelementes bis zur
Stirnwand 102 erstreckende Zylinderfläche 124 begrenzt. Die
Stirnwand 102 hat eine innenliegende Oberseite 126, die etwa orthogonal
zur Achse A verläuft und irrt gezeigten Ausführungsbeispiel
zwischen Umfangsfläche 124 und Auslaßöffnung 104 leicht
geneigt ausgebildet ist. Die Umfangsfläche 124 geht unter einem
Radius in die Oberseite 126 der Stirnwand 102 über. Auf der
Oberseite 126 der Stirnwand 102 sind mehrere Drallrippen 130
vorgesehen, die in gleichmäßigem Abstand um die Achse A herum
angeordnet sind und etwa spiralförmig von der Umfangsfläche 124
radial nach innen in Richtung auf die Auslaßöffnung 104 verlaufen.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind sechs solcher
Drallrippen vorgesehen. Wie sich besonders deutlich aus Fig. 5
ergibt, weist jede dieser Rippen eine äußere und eine innere gekrümmte
Seitenwand 132 bzw. 134 auf, die etwa parallel und im
Abstand voneinander angeordnet sind, der die radiale Dicke einer
Rippe festlegt. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Seitenwände
132 und 134 einen Krümmungsradius R1 bzw. R2 um einen
seitlich neben der Achse A liegenden Referenzpunkt 136 haben.
Der Referenzpunkt 136 liegt auf einer ersten Referenzlinie 137,
die sich mit einer zweiten, hierzu ortogonalen Referenzlinie 139
in einem Punkt schneidet, der gegenüber der Achse A ein Stück
radial versetzt ist. Am radial inneren bzw. äußeren Ende 138
bzw. 140 schließen die Rippen 130 bogenförmig mit Krümmungsbögen
R3 bzw. R4 ab, die um die Achse A geschlagen sind. Die Referenzlinien
137, 139 und Referenzpunkte 136 als Krümmungsmittelpunkte
für die Radien R1 und R2 von benachbarten Rippen sind
gleichmäßig verteilt und haben einen Winkelabstand, der 360°,
geteilt durch die Anzahl der Rippen, entspricht. Dementsprechend
wären die (nicht dargestellten) Referenzlinien und der Referenzpunkt
für die strichpunktiert in Fig. 5 dargestellte Rippe 130
mir 60° im Uhrzeigersinn gegenüber der Referenzlinie 137 und dem
Referenzpunkt 136 versetzt, die in Fig. 5 für die durchgezogen
dargestellte (linke) Rippe gezeigt sind.The
Wie sich aus Fig. 5 weiterhin ergibt, entspricht der Krümmungsradius
der äußeren Enden 140 der Rippen dem Innenradius der Zylinderwand
124 der Zylinderbohrung 100. Fig. 6 läßt erkennen,
daß die Rippen 130 eine Oberseite aufweisen, deren radial äußeres,
ein Stück oberhalb der Oberseite 126 der Stirnwand 102 liegendes
Ende einen Bogenabschnitt 144 aufweist, der einen harmonischen
Übergang zur Innenwand 124 der Zylinderöffnung 100 bildet.
Ausgehend von ihrem radial äußeren Ende verringert sich die
Dicke der Rippen in Axialrichtung zum radial innenliegenden Ende
hin, das wiederum einen zweiten Bogenabschnitte 146 aufweist,
der einen praktisch stufenlosen Übergang auf die Oberseite 126
der Stirnwand sicherstellt. Die Oberseite 142 ist vorzugsweise
zwischen ihrem radial inneren und radial äußeren Ende leicht
konvex gekrümmt, wodurch ein besonders guter Kontakt zwischen
Elektrode und Oberseite der Rippen beim Starten des Schweißbrenners
erreicht wird.As can further be seen from FIG. 5, the radius of curvature corresponds
the outer ends 140 of the ribs the inner radius of the
Aus den Fig. 3 bis 6 ist gut erkennbar, daß jeweils zwei in Umfangsrichtung
nebeneinander liegende Drallrippen zwischen sich
einen Gasströmungskanal 148 bilden, von denen jeder ein Eintrittsende
an der Innenwand 124 der Zylinderöffnung 100 und ein
Austrittsende hat, das zwischen den radial inneren Enden der
Rippenseitenwände 132 bzw. 134 von zwei benachbarten Rippen
liegt. Wie sich insbesondere aus den Fig. 3 und 5 ergibt, ist
der Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Seitenwänden zweier
benachbarter Rippen am Eintrittsende eines jeden Kanals größer
als am Austrittsende. Das in jeden Kanal 148 am Eingangsende
eintretende Gas strömt dadurch entlang eines gekrümmten, in
Strömungsrichtung sich verjüngenden Weges zum Austrittsende des
Kanals. Die Kanäle sind so ausgelegt, daß sie das Gas an ihren
Auslaßöffnungen in Richtungen ausstoßen, die etwa tangential zur
Auslaßöffnung 104 verlaufen. Die zwischen den Rippen ausgebildeten
Kanäle sorgen durch ihre besondere Ausgestaltung dafür, daß
das Gas beim Eintritt in die Auslaßöffnung 104 nicht nur verwirbelt,
sondern auch radial eingeschnürt wird, wodurch ein besonders
gerader (linearer) Plasmastrahl aus dem Schweißbrenner austritt.3 to 6 that two each in the circumferential direction
side-by-side twist ribs between them
form a
Beispielhaft und nur zur Verdeutlichung des hier gezeigten und
beschriebenen Ausführungsbeispiels beträgt der Innendurchmesser
der Zylinderöffnung 100 des Düsenelements 34 etwa 8,636 mm und
die innenliegende Oberseite 126 der Stirnwand ist um etwa 15°
gegenüber einer zur Achse A orthogonalen Ebene geneigt. Der
Durchmesser der Auslaßöffnung 104 beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
etwa 1,07 mm, während die Krümmungsradien R1
und R2 bei 3,175 bzw. 2,54 mm und der Radien R3 und R4 bei 1,78
bzw. 4,32 mm liegen. Der Referenzpunkt 136 hat einen Abstand vom
Schnittpunkt der Linien 137 und 139 von 1,93 mm, wobei der
Schnittpunkt dieser beiden Linien wiederum um 0,1016 mm von der
Achse A beabstandet ist. Der Krümmungsradius der bogenförmigen
Abschnitte 128, 144 und 146 zwischen den Innen- bzw. Stirnseiten
124, 126 der Düse und den äußeren und inneren Enden der Rippen
130 beträgt 0,635 mm. Jede Rippe ist mit einem Radius von 3,175
mm auf ihrer Oberseite konvex gekrümmt um einen Krümmungsmittelpunkt,
der um 5,26 mm von der Achse seitlich und um 16,33 mm von
der Oberseite 106 des Flansches entfernt ist.Exemplary and only to clarify what is shown and
described embodiment is the inner diameter
the
In Fig. 2 ist die Elektrode in ihrer Arbeitsstellung dargestellt,
in der sich die Arbeitsspitze 50 in einem Abstand oberhalb
der Stirnwand 102 des Düsenelements 34 befindet. Elektrode
und Düsenelement sind in an sich bekannter Weise so angeordnet,
daß sie über eine Stromquelle miteinander verbunden sind, so daß
ein Pilotlichtbogen zwischen diesen beiden Bauteilen gezündet
wird und brennt, wenn die Elektrode aus ihrer in Fig. 2 gezeigten
Lage nach unten in Kontakt mit dem Düsenelement 34 bzw. dessen
Drallrippen 130 gebracht und anschließend wieder in ihre in
Fig. 2 dargestellte Lage zurückgezogen wird. Bei einem solchen
Startvorgang wird zwischen der unteren Stirnfläche 52 der Arbeitsspitze
50 der Elektrode und der axial innenliegenden Oberseite
126 der Stirnwand 102 des Düsenelements 34 ein Plasmagasraum
150 ausgebildet, der einen um seinen äußeren Rand verlaufenden,
ringförmigen Einlaß 152 hat, der durch den Ringspalt
zwischen der Innenwand 124 des Düsenelements und der Umfangsfläche
der Arbeitsspitze 50 der Elektrode 48 festgelegt ist. Bevor
ein Pilotlichtbogen erzeugt wird, stößt die Stirnfläche 52 der
Arbeitsspitze 50 der Elektrode 48 infolge der von der Druckfeder
92 ausgeübten Kraft an den Rippen 130 an. Zum Starten des Brenners
wird dann ein Plasmagas durch den Einlaß 94 in den Schweißbrennerkorpus
12 eingeleitet und strömt durch den ringförmigen
Spalt zwischen dem Korpus 12 und der Zylinderhülse 64 und axial
entlang der Aussparungen 70 durch die Durchlaßöffnungen 24 in
der Hülse 18 der Drallringkonstruktion. Nach Durchströmen des
Gases durch die radialen Durchlaßöffnungen 24 wirkt der Gasdruck
auf die Unterseite des Kopfes 58 der Elektrode 48 und hebt diese
so gegen die Vorspannung der Feder 29 nach oben in die in Fig. 2
dargestellte Lage. Das Gas strömt weiter nach unten entlang dem
oberen Ende der Elektrode und weiter durch die Drallkanäle 56
zum unteren Ende der Hülse 18, wo ein Teil des Gases mit Drall
in den ringförmigen Durchgang zwischen Innenwand 124 des Düsenelements
und Außenseite der Arbeitsspitze 50 der Elektrode
strömt und von dort über einen Randeintritt 152 in den Gasraum
50 gelangt. Das Plasmagas strömt dann weiter etwa spiralförmig
nach innen in den zwischen benachbarten Rippen 130 ausgebildeten
Kanälen, aus denen es an deren Auslaßenden etwa tangential zum
Rand der Auslaßöffnung 104 austritt. Das Gas verläßt die Öffnung
104 dadurch mit einem Drall. Wenn die Elektrode außer Kontakt
mit dem Düsenelement gerät und - wie beschrieben - ein Pilotlichtbogen
zwischen Elektrode und Düsenelement brennt, tritt aus
der Gaskammer 150 ein Plasmastrahl P mit dem in den Kanälen 148
erzeugten Drall aus. Solange Plasmagas durch den Gasraum 150
strömt, wird ein Druck auf die Stirnfläche 52 der Elektrode ausgeübt,
wobei ein niedrigerer Druck erforderlich ist, um die
Elektrode 48 in ihrer Betriebsstellung zu halten.2 the electrode is shown in its working position,
in which the working
Wie sich aus den Fig. 4 und 6 ergibt, strömt das Gas bei seinem
Eintritt 152 in den Gasraum 150 und radial durch diesen hindurch
zu der Auslaßöffnung 104 und bei seinem Durchgang durch die zwischen
den Rippen 130 ausgebildeten Kanäle 148 und durch die gekrümmten
Abschnitte 144 und 128 in der Nähe des Eintrittes 152
durch die glatten Übergänge und Radien praktisch ohne Turbulenzen
und es wird ein besonders guter Strömungsübergang zwischen
dem axial-schraubenförmigen Verlauf entlang der Arbeitsspitze 50
der Elektrode 48 und dem spiralförmigen, radial nach innen gerichteten
Fluß in den Kanälen 148 entlang der Rippen 130 in
Richtung auf die Auslaßöffnung 104 erreicht. Die erfindungsgemäße
Ausgestaltung hat bei der Übergangsströmung auch den besonderen
Vorteil, daß die Richtung der Drallströmung um die
Arbeitsspitze 52 der Elektrode herum in Durchflußrichtung vor
der Kammer 150 der Strömungsrichtung des Gases durch die Kanäle
148 zwischen den Rippen entspricht, was ebenfalls dazu führt,
daß eine Übergangsströmung mit nur sehr geringen oder gar keinen
Turbulenzen sich ausbildet. Nach Erzeugen des Pilotlichbogens
wird der Brenner im Pilotlichtbogenmodus betrieben, in dem der
Lichtbogen noch nicht auf ein Werkstück übergesprungen ist. Der
Brenner kann dann in die Nähe eines Werkstückes für den Lichtbogenüberschlag
bewegt werden, wobei der Brenner dann im Lichtbogenübertragungsbetrieb
arbeitet.4 and 6, the gas flows at his
Die spezielle Ausgestaltung des Düsenelementes 34 hat beim Betrieb
des Schweißbrenners auch besondere Vorteile bei der Richtungssteuerung
des zur Kühlung vorgesehenen Teilstroms des Plasmagases.
Wie sich aus den Fig. 2 bis 4 insoweit ergibt, strömt
ein Teil des durch die Durchlässe 24 einströmenden und von dort
durch die schraubenförmigen Kanäle 56 zu deren Austrittsenden
geleiteten Plasmagases oberhalb des Düsenelementes 34 durch die
Nuten 120 an dessen Außenseite hindurch und weiter durch die
Aussparungen 110 in dem Montageflansch 40 des Düsenelementes.
Ein weiterer Teil des durch die Nuten 120 strömenden Plasmagases
gelangt von den Aussparungen 110 radial nach außen in den Ringspalt
zwischen den Oberflächen 30 und 44 des Montagerings bzw.
der Schirmhülse 36 und über die Kühlrippen 32 in den Hohlraum
46, wodurch die Bauteile des Schweißbrenner in diesem Bereich
gut gekühlt werden. Noch ein weiterer Teilstrom des durch die
Nuten strömenden Plasmagases strömt durch die Aussparungen 110
im Flansch 40 und wird radial nach innen gegen den ersten Zylinderabschnitt
der Düse 34 gelenkt und gelangt von dort auf den
konischen Abschnitt 114. Da die Schulter 41 an der Schirmhülse
36 einen Teil der Aussparungen 110 nahe der Unterseite 108 des
Flansches 40 radial überlappt und sich die Öffnung des Düsenelements
mit einem konischen Wandabschnitt 43 von der Schulter 41
nach unten in Richtung auf den Auslaß verjüngt, wird das in Axialrichtung
entlang der Böden 118 der Aussparungen 110 strömende
Gas radial nach innen in Richtung auf den Zylinderteil 112 der
Düse abgelenkt. Beim Weiterströmen längs dieses Düsenbereiches
gelangt das Gas auf das konische Teilstück 114 und wird von diesem
radial nach außen abgelenkt und bildet so einen etwa konischen
Schutzmantel um den Plasmastrahl P. The special design of the
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es ergeben sich viele
Änderungen und Ergänzungen, ohne den Rahmen der Erfindung zu
verlassen. So ist es beispielsweise möglich, die Erfindung auch
bei einem solchen Schweißbrenner zu verwenden, bei dem Düse und
Elektrode nicht verschieblich zueinander angeordnet, sondern
ortsfest sind, wobei dann der Brenner nicht durch Verschieben
der Elektrode im Düsenelement gestartet wird, sondern hierzu
eine geeignete elektrische (Hochfrequenz-) Schaltung Verwendung
findet. Es ist möglich, die Konturen der Drallrippen an der Innenseite
der Stirnwand des Düsenelementes etwas anders auszugestalten
und beispielsweise auch mehr oder weniger als sechs Rippen
zu verwenden. Der Drall des Gases kann auch allein bei dessen
Strömung über die Stirnfläche des Düsenelementes erzeugt
werden, ohne daß die in Durchflußrichtung des Gases vorher getroffene
Anordnung mit den schraubenförmigen Kanälen vorgesehen
wird. Dieser Drall des Gases stromaufwärts kann auch anders erzeugt
werden, beispielsweise dadurch, daß das Gas nicht durch
eine radial, sondern durch eine oder mehrere tangential angeordnete
Einlaßöffnungen 94 zugeführt wird.The invention is not based on that shown and described
Embodiment limited, but there are many
Changes and additions without going beyond the scope of the invention
leave. For example, the invention is also possible
to be used in such a welding torch where the nozzle and
Electrode not slidably arranged to each other, but
are stationary, in which case the burner is not moved
the electrode in the nozzle element is started, but for this
a suitable electrical (radio frequency) circuit use
finds. It is possible to outline the swirl ribs on the inside
to design the end wall of the nozzle element somewhat differently
and for example more or less than six ribs
to use. The swirl of the gas can also be at its own
Flow generated over the end face of the nozzle element
be without the previously taken in the direction of flow of the gas
Arrangement provided with the helical channels
becomes. This swirl of the gas upstream can also be generated differently
be, for example, that the gas is not through
one radial, but one or more tangentially arranged
Claims (38)
dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (102) des Düsenelementes (34) an ihrer der Stirnseite (52) der Elektrode (48) zugewandten Oberseite mehrere Kanäle (148) und/oder Rippen (130) aufweist, womit das Plasmagas im Innern der Gaskammer (150) vom Einlaß (152) zu der Auslaßöffnung (104) geleitet wird.
characterized in that the end face (102) of the nozzle element (34) has a plurality of channels (148) and / or ribs (130) on its upper side facing the end face (52) of the electrode (48), whereby the plasma gas inside the gas chamber ( 150) from the inlet (152) to the outlet opening (104).
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