DE2616722A1

DE2616722A1 - Duesenmundstueck fuer einen plasmabogenschweiss- oder -schneidbrenner

Info

Publication number: DE2616722A1
Application number: DE19762616722
Authority: DE
Inventors: William Richard Pieren; Robert Francis Stetson
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1975-04-17
Filing date: 1976-04-15
Publication date: 1976-10-28
Also published as: CA1059219A; CH613828A5; FR2307608A1; GB1543967A; FR2307608B1; US4112288A; JPS51135859A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Weickmann, ^ ^

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke SP/MY Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

, 8 MÜNCHEN 86, DEN

Case Cr 10.5b postfach 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

GENERAL ATOMIC COMPANY, 10955 John Jay Hopkins Drive, San Diego, California, USA

Düsenmundstück für einen Plasmabogenschweiß-
oder -schneidbrenner

Die Erfindung betrifft ein Düsenmundstück für einen Plasmabogenschweiß- oder -schneidbrenner.

Ein Plasmabogenschweiß- oder -schneidbrenner arbeitet aufgrund eines Verfahrens, durch das Wärme mittels eines zusammengeschnürten bzw. verengten Bogens zwischen einer nichtverbrauchbaren Elektrode aus Wolfram oder einem anderen geeigneten Material und dem Werkstück erzeugt wird. Der Bogen wird mittels einer Gasumhüllung zusammengeschnürt bzw. verengt, die ihrerseits dadurch erzeugt wird, daß man ein geeignetes Inertgas, wie z.B. Argon, durch ein Düsenmundstück hindurchströmen läßt, welches die Elektrode koaxial zu derselben umgibt. Als Ergebnis wird ein Strahl von intensiv
heißem und sich schnell bewegendem Plasma ausgebildet. Um
zu verhindern, daß geschmolzenes Schweißmetall und der Bogen durch die umgebende Luftatmosphäre verunreinigt werden, wird ein zweiter Gasstrom zwischen der Außenseite des Düsenmundstücks und einem äußeren Abschirmungsbecher hindurchgeleitet« Das Abschirmungsgas kann aus irgendeinem geeigneten Gas oder

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irgendwelchen geeigneten Gasen zusammengesetzt sein, wie beispielsweise aus einer Kombination von 5% Wasserstoff und 95% Argon.

Während des Betriebs eines typischen Plasmabogenschweiß- und -Schneidbrenners kann eine gewißse Bogenbildung zwischen der Elektrode und dem Bereich innerhalb des Düsenmundstücks in der Nähe der außenseitigen Fläche bzw. Stirnseite des Mundstücks auftreten. Düsenmundstücke, die gemäß den gegenwärtigen kommerziellen Praktiken hergestellt sind, haben den Nachteil von Erosionen, die aufgrund dieser Bogenbildung wie auch aufgrund der intensiven Wärme, welche durch den Plasmabogen erzeugt wird, auftreten. Weil die Abmessung und Form der verengten Säule von Plasmagas ein wichtiger Verfahrensparameter ist, und weil die Abmessung und Form dieser verengten Säule durch die Formänderung des Düsenmundstücks aufgrund von Erosion beeinflußt wird, kann es zu einer Änderung eines wichtigen Verfahrensparameters als Ergebnis dieser Erscheinung kommen. Das bedeutet, daß das Düsenmundstück ersetzt werden muß. Die Abnutzung des Mundstücks ist ein sehr schwierigeres Problem in Verbindung mit sehr kleinen Brennern, bei denen Wasserkühlung weniger wirksam ist.

Mit der Erfindung soll ein verbessertes Düsenmundstück für einen Plasmabogenschweiß- oder -schneidbrenner zur Verfügung gestellt werden, und zwar insbesondere ein solches Düsenmundstück, das eine wesentlich längere Betriebslebensdauer als derzeit kommerziell verfügbare Düsenmundstücke hat.

Ein erfindungsgemäßes Düsenmundstück für einen Plasmabogenschweiß- oder -schneidbrenner zeichnet sich dadurch aus, daß es aus einem isotropen Graphit von im wesentlichen gleichförmiger Wärmeleitfähigkeit besteht oder solchen Graphit enthält, wobei der Graphit eine mittlere Teilchengröße von weniger als 0,076 mm Durchmesser und eine mittlere Porengröße von weniger als 1 Mikron hat.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Endes eines Plasmabogenschweiß- und -Schneidbrenners zur Veranschaulichung von dessen Gebrauch mit e*inem im wesentlichen nichterodierten bzw. -zerfressenen Düsenmundstück;

Fig. 2 eine schematische Ansicht, die derjenigen der Fig. 1 ähnlich ist und die schlechte Wirkung der Erosion des Düsenmundstücks veranschaulicht; und

Fig. 3 eine vollständige QuerSchnittsansieht eines Düsenmundstücks, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist.

Sehr allgemein weist das Düsenmundstück einen isotropen Graphit von im wesentlichen gleichmäßiger Wärmeleitfähigkeit auf, der eine mittlere Teilchengröße von weniger als etwa 0,076 mm Durchmesser und eine mittlere Porengröße von weniger als etwa 1 Mikron hat.

Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der das Ende eines Plasmaschweißbrenners 11 schematisch beim Vorgang des Schweißens eines Werkstücks 13 gezeigt ist. Der Brenner weist eine Elektrode 15 auf, die koaxial zu einem Düsenmundstück angeordnet ist. Ein äußerer Abschirmbecher 19 umgibt das Düsenmundstück und bildet einen Ringraum 21. Zwischen der Elektrode und dem Düsenmundstück ist ein Bogen 23 ausgebildet, und ein Düsengas wird in den Raum 25 zwischen dem Düsenmundstück und der Elektrode eingespeist. Das führt zur Bildung eines Plasmas 39 von sehr hoher Temperatur, das in einem Strom durch eine Öffnung 27 in dem Düsenmundstück zu dem Werkstück 13 gedrückt wird. Ein Abschirmungsgas wird durch den Ringraum 21 geleitet und umgibt das Plasma, wie bei 31 angedeutet ist.

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In Fig. 1 hat das Düsenmundstück die richtige Form, und die Form des Plasmas ist im wesentlichen säulenförmig und erstreckt sich koaxial von der Elektrode 15 aus.

Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der ein Betriebszustand, gezeigt ist, der typisch ifür den Betriebszustand ist, der auftritt, wenn das Düsenmundstück erodiert bzw.'zerfressen wird. Das Düsenmundstück 17 ist nach der Darstellung bei der Öffnung 27 in dem mit 33 bezeichneten Bereich erodiert. Wie man¹sieht, besteht die Wirkung der Erosion darin, daß die Säule von Plasmagas verzerrt und in der dargestellten Weise ausgebreitet wird. Dadurch wird eine merkliche Änderung in den Schweißprozeßparametern bewirkt, und typischerweise wird ein Ersetzen des Düsenmundstücks erforderlich. Natürlich kann die Häufigkeit eines solchen Ersetzens die Kosten des Schweißvorgangs und die für denselben erforderliche Zeit erhöhen.

Gemäß der Erfindung weist das Düsenmundstück des Plasmabogenschweiß- und -Schneidbrenners einen isotropen Graphit von im wesentlichen gleichförmiger Wärmeleitfähigkeit auf oder besteht aus einem solchen Graphit. Der Graphit hat eine kleine Porenabmessung und eine kleine Teilchengröße, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute elektrische Widerstandsfähigkeit bzw. einen guten elektrischen spezifischen Widerstand und einen scharfen Minimumradius an Bearbeitbarkeit.

Die gleichförmige Wärmeleitfähigkeit unterstützt die Verteilung der Wärmebelastung in dem Düsenmundstück. Auf diese Weise treten keine lokalisierten heißen Stellen auf, die zur Verschlechterung bzw. Abnutzung des Düsenmundstücks in diesem speziellen Bereich beitragen könnten.

Vorzugsweise ist die Teilchengröße des Graphits weniger als ungefähr 0,075 mm im mittleren Durchmesser. Ein bevorzugter

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mittlerer Durchmesser beträgt ungefähr 0,025 mm. Bei dieser Teilchengröße ergibt sich eine Bearbeitbarkeit, die einen scharfen minimalen Radius ermöglicht, so daß genaue Dimensionen und eine genaue Form des Düsenmundstücks sichergestellt ist. Bekanntlich sind Poren in vielen Graphitstrukturen inhärent. Für den richtigen Betrieb sollte das Düsenmundstück nach der Erfindung eine Porengröße von weniger als etwa 1 Mikron haben. Vorzugsweise sollte die Porengröße einen Durchschnitt von etwa 0,4 Mikron besitzen. Durch Verwendung einer kleinen Porengröße wird die Wahrscheinlichkeit eines Angriffs durch Erosion minimalisiert.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient und der elektrische spezifische Widerstand sollten beide so niedrig wie möglich sein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient sollte weniger als etwa

9 x 10 pro ⁰C, und vorzugsweise etwa 8,3 χ 10 -/°C, sein. Der spezifische elektrische Widerstand sollte weniger als etwa 3,9 x 10" Ohm/cm bei 21⁰C sein, und er sollte vorzugsweise ungefähr 2,7 x 10 Ohm/cm bei 21⁰C betragen.

Ein Material, das die bevorzugten.Eigenschaften, die oben erwähnt sind, besitzt, ist von einer Materialqualität, wie sie im Handel als POCO AXF5Q bezeichnet wird, und ein solches Material ist beispielsweise von der POCO Graphite Company, Decatur, Texas, USA, erhältlich. Düsenmundstücke, die aus solchem Material hergestellt sind, sind in der Lage, hohen Temperaturen, wie sie von dem Plasmagas erzeugt werden, zu widerstehen, und solche Düsenmundstücke können mit dem gleichen Aufbau wie kommerziell verfügbare Düsenmundstücke, welche typischerweise aus Kupfermaterial hergestellt sind, hergestellt werden.

Die Fig. 3 zeigt spezifische, strukturelle Einzelheiten eines Düsenmundstücks. Das Mundstück 17 ist an einem Ende mit einer Öffnung 27 versehen, die mit einer etwas größeren inne-

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ren Öffnung 37 über einen Bohrschräg- bzw. -konusabschnitt verbunden ist. Das äußere Ende der Öffnung 37 ist bei 41 versenkt bzw. konisch erweitert, und die äußere Oberfläche des Düsenmundstücks 37 ist mit einem Gewinde 43 versehen, so daß das Düsenmundstück mit einer nicht dargestellten, geeigneten Befestigungshülse des ©renners 11 verbunden werden kann. Das Material, aus dem das Düsenmundstück der Fig. 3 hergestellt ist, enthält einen isotropen Graphit, der die obigen Eigenschaften besitzt, oder es besteht aus einem solchen isotropen Graphit.

Das Düsenmundstück ermöglicht es, eine geeignete Säulenform der Plasmagassäule, die aus dem Brenner austritt, aufrechtzuerhalten. Das trägt zur Erzeugung von sich nicht,verändernden Schweiß- oder Schneidergebnissen bei, und zwar während einer längeren Mundstücklebensdauer, als sie bei Düsenmundstücken nach dem Stande der Technik möglich war. Das Mundstück nach der Erfindung ist in viel höherem Maße zuverlässig als kommerziell verfügbare Düsenmundstücke.

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Claims

Patentansprüche

1. Düsenmundstück für einen Plasmabogenschweiß- oder -schneidbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß es isotropen Graphit von im wesentlichen gleichförmiger Wärmeleitfähigkeit enthält oder aus solchem Graphit hergestellt ist, wobei dieser isotrope Graphit eine mittlere Teilchengröße von weniger als 0,076 mm Durchmesser und eine mittlere Porengröße von weniger als 1 Mikron hat.

2. Düsenmundstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen isotropen Graphit enthält, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 9 x 10"" /⁰C hat oder aus einem solchen isotropen Graphit besteht.

3. Düsenmundstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen isotropen Graphit enthält, der einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 3,9 x 10 Ohm/cm bei 21⁰C hat oder aus einem solchen isotropen Graphit besteht.

4. Düsenmundstück nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es einen isotropen Graphit enthält, der eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,025 mm Durchmesser und eine mittlere Porengröße von etwa.0,4 Mikron hat oder aus einem solchen isotropen Graphit besteht.

5· Düsenmundstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es einen isotropen Graphit enthält, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 8,3 χ 10 /⁰C und einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 2,7 x 10 Ohm/cm bei 21⁰C hat oder aus einem solchen isotropen Graphit besteht.

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6. DUsenraundstuck nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein zylindrisches Teil (17) aufweist oder aus einem solchen zylindrischen Teil besteht, welches seinerseits einen sich durch dasselbe hindurcherstreckenden, axialen Durchgang (27,37,39) sowie ein äußeres Gewinde (43) an einem Ende hat.¹

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