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Dokumentenidentifikation DE102004053433A9 31.05.2007
Titel Stromdüse für Schweiß- und Schneidbrenner
Anmelder Winkelmann, Christine, Dr., 02979 Burg, DE
Erfinder Winkelmann, Christine, Dr., 02979 Burg, DE;
Bürkner, Christian, 01324 Dresden, DE
DE-Anmeldedatum 20.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004053433
Offenlegungstag 09.02.2006
Date of publication of correction 31.05.2007
Information on correction Berichtigung in Absatz 1 - 3 der Beschreibung und in Anspruch 1 - 8
IPC-Hauptklasse B23K 9/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23K 9/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Stromdüse für Schweiß- und Schneidbrenner mit einem geraden Drahtförderkanal.
Erfindungswesentlich ist, dass die Stromdüse aus Graphit ist oder die Stromdüse aus Kupfer einen Einsatz über die gesamte Länge der Stromdüse aus Graphit hat, der mittels Strangpressen oder Strangziehen in die Stromdüse aus Kupfer eingebracht ist. Die Stromdüse aus Graphit wird angewendet für Aluminium, Magnesium, Zink, Zinn und Legierungen der genannten Metalle als drahtförmiger Zusatzwerkstoff. Die Stromdüse aus Graphit wird dabei mittels Klemmverbindung im Düsenstock befestigt und mittels Anordnung einer Spannmutter fixiert. Die Stromdüse ist für MIG/MAG-Lötverfahren geeignet.
Die Stromdüse für Schweiß- und Schneidbrenner ist besonders geeignet für den Einsatz von Zusatzwerkstoffen mit einem niedrigen Schmelzpunkt und für das Schweißen und Löten von Aluminiumwerkstoffen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Stromdüse für Schweiß- und Schneidbrenner mit einem geraden Drahtförderkanal zur Führung und Kontaktierung der Drahtelektrode.

Die Stromdüse, auch Kontaktdüse genannt, hat einmal die Aufgabe, die Drahtelektrode zu führen und zum anderen den Strom in die Drahtelektrode in geringem Abstand vom Lichtbogen einzuleiten. Die Stromdüse ist gleichzeitig der störanfälligste Teil im Schweißstromkreis. Ihre Funktion als Stromüberträger wird u. a. erschwert durch:

  • 1. stumpfe Drahtelektrodenenden, die den Lichtbogen zum Stromdüsenende hin zünden;
  • 2. Gleitbehinderungen in der Stromdüse, verursacht durch kurzzeitige Drahtstillstände während des Lichtbogenzündens bei zu langem Schlauchpaket und zu großer lichter Weite des Drahtförderkanals und Unebenheiten an den Innenwandungen;
  • 3. Stotter-Lichtbogenzündung durch zu kleine Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Zünden;
  • 4. Drahtanschmelzungen und Spritzerbildung im Drahtförderkanal durch Zerplatzen der Anschmelzstellen durch örtlich hohe Stromdichte zwischen Drahtelektrode und Stromdüse;
  • 5. Vergrößerung des Kontaktwiderstandes durch Fehler auf der Drahtoberfläche und Oxidschichten;
  • 6. Spritzer aus dem Lichtbogenbereich, die Bremswirkungen und größere elektrische Widerstände durch das Eindringen in den Spalt zwischen Drahtelektrode und Drahtförderkanal oder durch Belagsbildung am Stromdüsenende verursachen;
  • 7. erschwertes Gleiten der Drahtelektrode, bedingt durch zu hohe Temperaturen der Stromdüse und zu niedrige Warmhärte, sowie durch Beschleunigen der Elektroerosion und Belagsbildung bei mangelhaften Drahtelektroden;
  • 8. Verminderung des Kontaktstellendrucks bei zu großem Innendurchmesser der Stromdüse, Drahtelektroden mit großem Springmaß;
  • 9. fehlerhafte Ausführung der Stromdüse, wie Innengrate am Ein- und Ausgang des Drahtförderkanals, Rauhigkeit, und Welligkeit des Drahtförderkanals;
  • 10. ungleichmäßige Drahtförderung;
  • 11. Drahtdeformation besonders bei mechanisch nur gering belastbaren Drähten.

Stromdüsen müssen neben einer guten Wärmeleitfähigkeit auch ein guter elektrischer Leiter sein und werden bevorzugt aus Kupfer gefertigt. Zusätzlich sind Eigenschaften, wie beständig gegen Elektroerosion und Fremdablagerungen, wichtig. Kupfer ist zwar ein sehr guter elektrischer Leiter und Wärmeleiter, aber diese Eigenschaft hat auch zur Folge, dass umherspritzende Metallpartikel an der Schweißstelle, auf die Stirnfläche der Stromdüse treffen und dort verschweißen und so hässliche und störende Vorsprünge, auch Bären genannt, aufbauen. Der Vorsprung kann schnell so groß werden, dass ein Kurzschluss zwischen der Stromdüse und dem Werkstück entsteht. Bei der Verwendung von Zusatzwerkstoffen geringer Schmelztemperatur, wie z.B. Al-, oder Sn-Drähte, oder mit geringer Verdampfungstemperatur, wie z.B. Zn- und Mg-Drähte, kommt es wegen der hohen Affinität zu Kupfer in der Kupferstromdüse zu partiellen Aufschweißungen, die auch zur Unterbrechung des Schweißprozesses führen. Die zuletzt genannten Zusatzwerkstoffe sind wegen dieser Eigenschaft für Kupfer Legierungsbildner. Aus DE G 84 21 896.7 ist eine Stromdüse in zweiteiliger Ausführung bekannt. Die Stirnfläche der Stromdüse ist abgetrennt und aus Kohle und wird in die Stromdüse eingesteckt. An der Stromdüsenspitze aus Kohle bleiben die Metallspritzer nicht mehr haften. Die zweiteilige Stromdüse bleibt trotzdem störanfällig, so dass diese Stromdüse in die Praxis auch noch keinen Eingang gefunden hat. Für die Verwendung von Al-, Mg-, Zn- oder Sn-Zusatzwerkstoffen ist diese Stromdüse nicht anwendbar. Eine Stromdüse zum Schweißen von Aluminium ist in DE G 89 09 592.8 offenbart, nach deren Lehre in eine Stromdüse aus Kupfer ein Kohlekern eingepresst ist. Auch der eingepresste Kohlekern in der Kupferstromdüse behebt die aufgezeigten Mängel nicht und auch diese Kupferstromdüse noch keinen Eingang in die Praxis gefunden hat.

Vor diesem technischen Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Stromdüse zu entwickeln, die für die Anwendung von Zusatzwerkstoffen, die für Kupfer Legierungsbildner sind, geeignet ist und wirtschaftlich hergestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 2 gelöst und zwar dadurch dass die Stromdüse aus Graphit besteht und ein zentraler geradeverlaufender Drahtförderkanal zur Führung des Zusatzwerkstoffes, im folgenden Schweißdraht genannt, in der Stromdüse aus Graphit angeordnet ist oder eine Stromdüse aus Kupfer über ihre gesamte Länge einen Innenkern aus Graphit aufweist und im Strangpress- oder Strangziehverfahren hergestellt wird und der zentrale geradeverlaufende Drahtförderkanal im Graphitkern der Stromdüse aus Kupfer angeordnet ist. Mit dem Strangpressen des Graphitkernes in das Kupferrohr sintern Kupfer und Graphit an der Oberfläche zusammen und die gute Leitfähigkeit des Kupfers verbindet sich mit der chem. Resistenz des Graphits und ein grenzflächenfreier Stromübergang ist gewährleistet. Graphit ist die metallische Kohlenstoffmodifikation und zeichnet sich auf grund seines Kristallgitteraufbaues durch eine beachtliche Wärme- und Elektrizitätsleitfähigkeit aus. Das Kristallgitter von Graphit ist gekennzeichnet durch die Ausbildung von Sechsecken, die sich zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen in einer Ebene ausbilden und die gute elektrische Leitfähigkeit begründet. Die Sechsecke bilden übereinander Schichten, deren atomarer Abstand größer als innerhalb der Sechsecke ist und die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Schichten daher auch relativ schwach wirksam sind. Daher lassen sich die Schichten gegeneinander relativ leicht verschieben, was wiederum die Wirkung als ausgezeichnetes Schmier- oder Gleitmittel begründet. Die vorteilhaften Wirkungen des Graphiteinsatzes in der Kupferstromdüse werden auch durch den negativen Widerstandskoeffizienten von Graphit unterstützt, bei dem sich mit steigender Temperatur der elektrische Widerstand verringert. Mit dem fast reibungsfreien Durchgang des Schweißdrahtes verringert sich gleichzeitig die Bildung von Abrieb wesentlich. Anderweitig umherspritzende Metallteilchen bleiben an der Stromdüse aufgrund des Graphiteinsatzes nicht haften, auch Schmutzpartikel bleiben nicht haften. Der Abrieb vom Schweißdraht wird vielmehr gemeinsam mit dem Schweißdraht nach außen transportiert. Mit der Erfindung wird die Standzeit der Kupferstromdüsen wesentlich erhöht. Verschmelzungen des Schweißdrahtes mit dem Kupfer der Stromdüse werden verhindert und die Kontinuität des Schweißprozesses garantiert. Die Stromdüsen nach der Erfindung sind selbstverständlich auch für den Einsatz in Schutzgaslötverfahren geeignet. Die Erfindung wird an Beispielen näher erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

Die Stromdüse ist aus Graphit. Die Stromdüse aus Graphit ist besonders für Schweißdrähte aus Aluminium, Magnesium, Silber, Zink und Zinn sowie ihren Legierungen geeignet, weil diese Metalle und ihre Legierungen mit Graphit auch keine chem. Bindung im teigigen oder flüssigen Zustand eingehen. Der Reibungswiderstand in der Graphitbohrung ist fast zu vernachlässigen und hemmt den Durchfluss nicht und auch flüssige Phasen führen nicht zur Bärenbildung in der Stromdüse. In der Automobilindustrie und im Behälterbau werden Schweißverbindungen zwischen Aluminiumwerkstücken untereinander, Aluminiumwerkstücken und verzinkten Stahlblechen, sowie verzinkten Stahlblechen untereinander ohne Beeinträchtigung der Zinkschicht, Magnesiumwerkstücken untereinander und Magnesiumwerkstücken und Stahlblechen mit Zusatzwerkstoffen auf Aluminium-, Magnesium-, Silber- und Zinkbasis immer interessanter und wirtschaftlich relevanter. Beim Einsatz der Stromdüse aus Graphit kann auf die zusätzliche Wasserkühlung der Stromdüse verzichtet werden ohne den Schweißprozess negativ zu beeinträchtigen.

Die Stromdüse aus Graphit nach diesem Ausführungsbeispiel wird nicht in den Düsenstock geschraubt, sondern geklemmt. Dazu ist der Düsenstock aus Kupfer in der Ausführung so geändert, dass im Aufnahmebereich für die Stromdüse mind. ein Dehnungsschlitz eingearbeitet ist, um die Stromdüse aus Graphit aufnehmen zu können und mittels Spannmutter im Düsenstock zu fixieren.

Ausführungsbeispiel 2

Ein Hartgraphitrohr in den Abmessungen l = 40 cm und einem Außendurchmesser von 15 cm mit einer Innenbohrung von einem Durchmesser von 5 cm wird stranggepresst auf die Endwerte l = 300 cm und Außendurchmesser = 6 cm. Die Innenbohrung beträgt 1,00–1,5 cm. Die Innenbohrung kann rund oder polygon sein. Ein Elektrolytkupferrohr in den Abmessungen l = 50 cm und einem Außendurchmesser von 20 cm mit einer Innenbohrung von 5 cm wird über das Hartgraphitrohr stranggepresst. Das Elektrolytkupferrohr legt sich grenzflächenfrei um das stranggepresste Hartgraphitrohr und bildet einen geschlossenen Mantel. Die Oberflächenbindung zwischen dem Hartgraphit- und dem Elektrolytkupferrohr bewirkt die vorteilhaften Eigenschaften der Kupferstromdüse nach der Erfindung. Die Innenbohrung für den Schweißdraht ist variabel gestaltbar, sie kann rund oder polygon sein. Handelsübliche Schweißdrähte, die beim Fördern Abrieb erzeugen, bilden keine Bären mehr, weil sie mit Graphit keine Verbindungen eingehen. Die Schweißdrähte können nun mit gleichmäßiger und leicht veränderbarer Geschwindigkeit der Schweißstelle zugeführt werden.

Ausführungsbeispiel 3

In Stromdüsen nach dem Ausführungsbeispiel 1 oder 2 ist ein zweiter Drahtförderkanal im Graphitkern angeordnet, um Tandem-Schweißverfahren durchführen zu können. Der zweite Drahtförderkanal kann innen rund oder polygon ausgebildet sein.

Ausführungsbeispiel 4

Stromdüsen nach Ausführungsbeispiel 1 oder 2 sind mit radialen, seitlich angeordneten Bohrungen ausgeführt, die gleichmäßig über den Umfang der Stromdüse verteilt sind.

Die radialen Bohrungen gewährleisten einen zusätzlichen Gasaustritt und unterstützen das Austreten von Schmutzpartikeln zusätzlich.

Ausführungsbeispiel 5

Stromdüsen nach Ausführungsbeispiel 1 oder 2 im Einsatz für MIG/MAG-Schweißverfahren und MIG/MAG-Lötverfahren. Das Schutzgaslöten ist inzwischen ein übliches Fügeverfahren geworden und unterscheidet sich in der Regelung der Fügetemperatur. Der Lichtbogen wird dabei so eingestellt, dass nur der Zusatzwerkstoff oder Schweißdraht schmilzt, während das Werkstück nicht bis zum Schmelzpunkt erhitzt wird.


Anspruch[de]
Stromdüse für Schweiß- und Schneidbrenner mit einem geraden Drahtförderkanal dadurch gekennzeichnet, dass

– die Stromdüse aus Graphit ist und mittig eine Innenbohrung als Drahtförderkanal aufweist.
Stromdüse für Schweiß- und Schneidbrenner mit einem geraden Drahtförderkanal aus Kupfer und einem Einsatz aus Graphit, dadurch gekennzeichnet, dass

– der Einsatz aus Graphit über die gesamte Länge der Stromdüse aus Kupfer mittels Strangpressen oder Strangziehen eingebracht ist und grenzflächenfrei an der Kupferoberfläche anliegt und

– im Graphit mittig eine Innenbohrung als Drahtförderkanal angeordnet ist.
Stromdüse nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass

– die Innenbohrung rund oder polygon ausgebildet ist.
Stromdüse nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass

– im Graphit ein zweiter gerader Drahtförderkanal zur Führung und Kontaktierung einer zweiten Drahtelektrode angeordnet ist.
Stromdüse nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass

– die Stromdüse mit seitlich angeordneten radialen Bohrungen, die über den Umfang verteilt sind, ausgeführt ist.
Stromdüse nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass

– die Stromdüse für Aluminium, Magnesium, Zink, Zinn und Legierungen der genannten Metalle als Zusatzwerkstoff, insbesondere drahtförmig, angewendet wird.
Stromdüse nach Anspruch 1 oder 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 3–6 dadurch gekennzeichnet, dass

die Stromdüse für MIG/MAG-Lötverfahren angewendet wird.
Stromdüse nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 3–7 dadurch gekennzeichnet, dass

– die Stromdüse aus Graphit in den Düsenstock aus Kupfer geklemmt und mittels Spannmutter fixiert ist.






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