EP3684542A2 - Brennerkörper zum thermischen fügen - Google Patents

Brennerkörper zum thermischen fügen

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Publication number
EP3684542A2
EP3684542A2 EP18765877.8A EP18765877A EP3684542A2 EP 3684542 A2 EP3684542 A2 EP 3684542A2 EP 18765877 A EP18765877 A EP 18765877A EP 3684542 A2 EP3684542 A2 EP 3684542A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
electrode
nozzle
workpiece
burner body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18765877.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sascha Rose
Eckhard KRÄMER
Ralf Schäfer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alexander Binzel Schweisstechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Alexander Binzel Schweisstechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alexander Binzel Schweisstechnik GmbH and Co KG filed Critical Alexander Binzel Schweisstechnik GmbH and Co KG
Publication of EP3684542A2 publication Critical patent/EP3684542A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K9/323—Combined coupling means, e.g. gas, electricity, water or the like

Definitions

  • the invention relates to a burner body and to a burner with such a burner body and to a method for thermal joining of at least one
  • Electrode stands “MIG” for “metal inert gas” and “MAG” for “metal active gas”.
  • MIG metal inert gas
  • MAG metal active gas
  • Tungsten Inert Gas For gas assisted arc welding with non-consumable electrode (WSG), “TIG” stands for "Tungsten Inert Gas”.
  • WSG non-consumable electrode
  • Tungsten Inert Gas The welding devices according to the invention can be designed as a machine-guided welding torch.
  • Arc welding devices generate an arc between the workpiece and a consumable or non-consumable welding electrode to melt the weld metal.
  • the weld metal as well as the welding point are protected by an inert gas flow in relation to the atmospheric gases,
  • the welding electrode is provided on a burner body of a welding torch, which is connected to an arc welding device.
  • Burner body usually contains a group of internal,
  • the protective gas flow flows around the welding electrode, the arc, the
  • a gas nozzle directs the protective gas flow to the front end of the burner head, where the protective gas stream emerges from the burner head approximately annularly around the welding electrode.
  • Burner head is required to protect the components used from thermal material failure. For this the burner head becomes active with a
  • Refrigerant cooled which flows through the burner head and thereby removes the absorbed from the welding process and unwanted heat.
  • deionized water with additions of ethanol or propanol for the purpose of antifreeze protection can be used as the coolant.
  • brazing is also used to connect sheet metal components. Unlike welding, not the workpiece, but only the filler material is melted. The reason for this is that during soldering, two edges are joined together by the solder as a filler material.
  • Arc brazing processes can be divided into metal inert gas (MSG-L) and tungsten inert gas (WSG-L) brazing processes.
  • MIG-L metal inert gas
  • WSG-L tungsten inert gas
  • MIG / MAG arc soldering is largely identical to MIG / MAG welding with wire-shaped filler.
  • TIG soldering the wire-shaped additional material is conveyed laterally into the arc, either manually or mechanized.
  • the filler material can be fed without power as a cold wire or current charged as a hot wire. With hot wire, higher deposition rates are achieved, but the arc is affected by the extra magnetic field.
  • the arc-brazing is used on surface-finished or uncoated thin sheets, as among other things by the lower melting temperature of the solder compared to welding, a lower thermal stress on the components is achieved, and the coating is less damaged. During arc brazing, there is no significant melting of the base material.
  • arc soldering processes are generally used on uncoated and metallically coated sheets of unalloyed and low-alloyed steel in the thickness range up to a maximum of about 3 mm.
  • arc soldering can usually argon 11 or Ar mixtures with
  • Admixtures of CO 2 , O 2 or H 2 according to DIN ISO 14175 are used.
  • TIG soldering can use commercially available TIG torches.
  • an elongated heat sink located within the housing cylinder is provided with an elongated cavity located therein at the upper end side of the heat sink and an inner lid closure thereon through which the lines for the coolant pass.
  • a recessed threaded bore is provided along the burner head axis, which has a passportable and lockable in the threaded hole electrode with a cylindrical and provided with a conical tip tungsten electrodes, whose
  • Tip end is arranged at a predetermined distance to the lower end side of the heat sink.
  • the welding torch has a gas nozzle communicating with the elongated heat sink with the involvement of longitudinal channels, which surrounds the heat sink and the electrode.
  • EP 2 894 005 A1 disclose an electrode and a welding torch arrangement with such an electrode.
  • the electrode comprises an elongated body, the one
  • the welding torch has a mounted on a mounting plate adjustment rail and a relative to the adjusting track displaceable adjusting body, a Burner body, an electrode holder with a longitudinal axis and a retaining nut, which secures the electrode in the electrode holder.
  • the electrode holder nut contacts the angled surface of the tip end portion.
  • a plasma welding torch which has a chamber in which a non-consumable electrode connected to a DC power source is arranged.
  • the chamber is provided with an exit channel and an entrance channel for a plasma gas.
  • the electrode has a free end portion.
  • the tip of the electrode is flattened at its free end and protrudes from the free end face of the mouth part.
  • the mouth part in the region of its head further channels, which surround the cone-shaped outlet channel concentric.
  • the outlet channel is surrounded by other channels provided for guiding cold plasma gas.
  • the plasma gas flowing out of the outlet channel is intended to hold the plasma jet outside the outlet channel of the burner or
  • the plasma gas flows essentially along a conical jacket having a specific wall thickness.
  • a disadvantage of the known burners are the use of special electrodes, the limited service life of the electrode and the low maintenance by open cooling circuits and complicated electrode settings.
  • the present invention seeks to provide an improved torch body, which has a simple, inexpensive and compact design and at the same time protection of the electrode from zinc vapor to provide a concentrated arc for short
  • This object is achieved with a burner body for thermal joining of at least one workpiece, in particular for arc welding or
  • the object is achieved by a joining device according to claim 18.
  • a burner body for thermally joining at least one workpiece, in particular for arc welding or arc soldering, with a non-consumable electrode, in particular a tungsten electrode, arranged in the burner body for generating an arc between the electrode and the workpiece.
  • a non-consumable electrode in particular a tungsten electrode
  • the front nozzle has at least one bypass duct for dividing the protective gas flow into a main gas flow and a secondary gas flow. Furthermore, the secondary gas stream surrounds the main gas stream according to the invention at the gas outlet ring.
  • the shielding gas may comprise argon or helium or a mixture of both as the main constituent.
  • the invention is characterized in that it is achieved by the combination of minimum size and two-part gas flow, that in particular compared to other types of burners, such as plasma torches additional space for a second gas flow in the burner and the insulation for a further electrical potential can be saved.
  • the use of a conventional TIG power source is possible, whereby the cost efficiency of the burner device is further increased.
  • the side gas flow provided in addition to the main gas flow allows a large heat-conducting cross-section of the front nozzle in comparison to the burner bodies known from the prior art. By the bypass channels, the area covered with the protective gas flow area is increased.
  • the front nozzle therefore not only provides a protective function for the electrode against zinc evaporation, but also ensures good cooling in the process area.
  • a plurality of bypass channels are circumferentially arranged on the front nozzle, preferably in an outwardly directed orifice angle of 10 ° to 30 ° relative to the longitudinal axis of the front nozzle.
  • the electrode forms the workpiece facing distal end of the burner body or approximately flush with this. As a result, an optimal ignition of the arc is achieved.
  • the front nozzle may form the distal end of the torch body facing the workpiece and the electrode may be recessed from that end, in particular by about 0.5 to 1.5 mm.
  • the electrode has a substantially cylindrical portion and / or a
  • Electrode may have a Anspitzwinkel of 20 ° to 45 °, preferably 30 °.
  • the workpiece facing the end of the electrode may be a truncated cone plateau with a plateau diameter of about 0.5 to 1.5 mm, preferably 1.0 mm. Since the arc between the workpiece and the electrode is formed, the workpiece facing the geometric shape of the electrode tip for the dimension and shape of the arc and also for the ignition of the
  • a plateau is provided at this end of the electrode, so that in this region the arc extends substantially perpendicularly and rectilinearly from electrode to workpiece.
  • the effect of the arc is thus further optimized in the process area.
  • Burner body provided, in particular, the heat sink on cooling channels for guiding a coolant.
  • An active cooling of the burner head is
  • the burner head is actively cooled with coolant, which flows through the burner head and thereby removes the heat absorbed from the welding process and unwanted heat.
  • coolant for example, deionized water with additions of ethanol or propanol may be used for the purpose of antifreeze.
  • the front nozzle is constructed in two parts.
  • the front nozzle 3 is designed in one piece.
  • the front nozzle has a
  • the center nozzle can be made of copper or a copper alloy for a very high heat conduction and / or the gas nozzle made of brass or a brass alloy for a high heat conduction at the same time high strength exist.
  • the gas nozzle may also be made of ceramic.
  • an internal electrical insulator isolates the front nozzle from the electrode.
  • Arc away from the welding electrode can be used in conventional
  • Arc welding devices result in the arc on the gas nozzle or the torch neck protective tube and melts this. In this way, the component concerned can prematurely unusable and must be replaced.
  • Center nozzle and the gas nozzle formed an annular gap for equalization and management of the secondary gas stream.
  • the gas nozzle at least partially overlaps the center nozzle at the end of the outlet opening of the bypass ducts to form the annular gap over the circumference. This ensures a further improved shielding gas coverage in the process area and for the seam. This further enhances the protective function of the electrode against zinc evaporation.
  • the center nozzle has the bypass channels. This makes the front area of the burner body more compact. Because an optimal cooling of the burner body is by the
  • Center nozzle has an outlet opening with a cross section of about 5 to 22 mm 2 , in particular about 12.5 to 15.9 mm 2 , wherein the cross section of
  • Outlet opening is less than or equal to the cross-section of the electrode in the region of the cylindrical portion of the electrode, so that a uniform
  • the sum of the cross sections of the bypass ducts of the center nozzle is about 12 to 22 mm 2 , in particular about 20 mm 2 , so that a uniform distribution of the volume flows between the secondary gas flow and the
  • the gas nozzle is designed for coupling to the center nozzle as a fastening nut.
  • the assembly of the nozzle is significantly simplified.
  • the replacement of the center nozzle is particularly easy. Because the as Fixing nut or cap nut acting gas nozzle, which may have an internal thread is slipped over the center nozzle in a change and connected by means of a corresponding external thread of the burner body with this.
  • the gas nozzle is loosened and removed by means of thread, so that the exchanged center nozzle can be easily removed from the burner body.
  • the annular surface of the center nozzle with additional
  • the gas nozzle is screwed back onto the thread of the torch body and fastened.
  • the center nozzle is pressed into the conical seat in the burner body and achieved optimum heat transfer.
  • a burner is provided with a burner body according to the invention.
  • a protective gas flow is provided, which flows out of a potential-free front nozzle.
  • the protective gas stream is split into a main gas stream directly surrounding the electrode and a secondary gas stream emerging at the front end of the burner body, wherein the
  • a joining device for the thermal joining of at least one workpiece in particular for
  • the joining device has a machine-guided burner for generating an arc between a non-consumable electrode arranged therein, in particular a tungsten electrode, and the workpiece. Furthermore, the joining device may have a previously described burner body.
  • the joining device according to the invention has a
  • Burner replacement device to replace the burner against a new burner and a tactile seam guide system.
  • a position transducer is moveable relative to the workpiece and spaced from the burner, the burner coupled to the tactile seam tracking system. According to the invention, the burner is in a movement relative to the
  • Position sensor in at least one working position for thermal joining of the workpiece and a change position for changing the burner against a new burner can be brought.
  • the torch may be replaced, though possibly only the worn or defective electrode and / or the nozzle of the torch
  • the heat-induced softening of the filler material is to keep the free wire end as short as possible, whereby the usually not movably arranged position sensor of the thermal joining device is located very close to the front end of the burner. As a rule, this distance is only a few millimeters. For this reason, a manual or automated torch change may result in a collision between the torch and the position sensor. Since the position sensor can have an outlet opening, through which an additional material for welding or soldering can be brought directly into the vicinity of the burner head, it can also lead to collisions between the burner and the filler material, for example by a not completely retracted additional wire. These collisions could cause damage to the torch and / or tactile seaming.
  • a magazine may be provided which includes a plurality of new burners which may be accessed, as needed, by an automated or manual method of changing a defective or worn burner, for example by a gripper arm which couples to the burner via a docking device and transport it in this way.
  • the tactile seam guiding system can also be equipped with another
  • Inert gas supply to be equipped in the direction of the burner.
  • the instantaneous position of the sensor attached to the front end of the pickup, which moves along the joint of the workpieces to be connected can be passed on via a control unit to actuators which control the movement of the joining device.
  • the joining device itself may have additional actuators, which can realize a more precise movement of the tactile seam guiding system compared to a robot control.
  • the tactile seam guiding system moves along a seam to be welded or soldered.
  • the burner moves and "follows" the seam guiding system, thus defining a given working direction of the burner, at which the burner end
  • the distance between the burner and seam guide system, in particular along the working direction, increased by the burner is moved against the working direction of the seam guide system away.
  • the burner to be replaced can be removed and replaced by a new burner.
  • Robot which decouple the spent burner to change from the welding energy, in particular from the lines for the
  • a first advantageous embodiment of the invention is a movable
  • Carriage provided for positioning the coupled to the carriage burner for the change of the burner against a new burner. To avoid the collision between burner and position sensor or tactile
  • Seam guide system is the burner by means of a carriage in the direction
  • Supply device in the change process of the burner is a hindrance and could cause collisions and damage to the burner and / or the tactile seam guide due to the very short distance from the burner.
  • the carriage is operated electrically, pneumatically or hydraulically, so that an exact control of the carriage is ensured.
  • the carriage has a burner holder for holding the burner and / or a coupling device for feeding the burner Welding energy.
  • This welding energy includes, but is not limited to, electrical energy and supply lines for the coolant and the coolant
  • the burner is locked at least in the working position.
  • the respective positions of the burner must be precisely approached by the controller.
  • To avoid inaccuracies of the burner is locked at least in the working position.
  • the burner in other positions, such as the change position can be locked.
  • the burner is movable only between the working position and the change position and vice versa. This also further increases the accuracy of the joining device. In addition, the clock frequency of the device is also increased. Because the fact that only two positions are approached, malfunction and thus downtime of the device can be reduced. These two positions can be configured as stable positions.
  • Seam guide system in particular arranged on the position sensor outlet opening through which the filler material for arc brazing or arc welding can be dispensed.
  • the filler material may be, for example, welding wire or solder wire.
  • the seam guiding system thus fulfills a dual function. First, it serves as an edition for the
  • a distal end of the suture guide system is located immediately adjacent the front end of the burner.
  • 1 shows a burner body for the thermal joining of at least one
  • FIG. 2 detailed views of the burner body in plan view (a), side view
  • Figure 3 detail views of the center nozzle in plan view (a), side view
  • FIG. 4 detailed views of the gas nozzle in plan view (a), side view (b) and as a sectional illustration (c),
  • Figure 5a is a schematic representation of a joining device in
  • Figure 5b is a schematic representation of a joining device in
  • Figure 6 is a schematic representation of the joining device in change position
  • Figure 7 is a schematic representation of the joining device with removed
  • a torch body 10 for thermal joining of at least one workpiece 11, in particular for arc welding or arc brazing, with a non-consumable electrode 1, in particular a tungsten electrode, arranged in the torch body 10, is used to generate an arc between the electrode 1 and the workpiece 1 1 forth.
  • the electrode 1 closes in the vorl hegenden embodiment of the invention approximately flush with the burner body 1 0 from, d. H . It can also be provided in the context of the invention that the electrode 1, the workpiece 1 1 facing the distal end 9 of the burner body 1 0 forms and on the other components of the Torch body 1 0 to the front end 1 8 protrudes. Alternatively, it would also be conceivable for at least part of a nozzle to form the distal end 9 of the burner body 10 facing the workpiece 11 and the electrode 1 to protrude from this end 9, in particular by approximately 0.5 to 1.5 mm.
  • the electrode 1 may have a substantially cylindrical portion 21 and / or a workpiece-facing pointed end 22.
  • a front nozzle 3 which is electrically isolated from the electrode 1 by means of an inner insulator 8 or potential-free is for discharging a nozzle Protective gas stream provided from a gas outlet 1 3 of the burner.
  • the inner insulator 8 may for example consist of a ceramic material or include this. It can be seen further from FIG. 1 that an outer insulation 1 9 is provided in order to provide for the
  • Outside insulation 1 9 prevents the arc from migrating away from the electrode 1.
  • the front nozzle 3 has at least one bypass duct 5 for dividing the protective gas flow into a main gas flow 14 and a secondary gas flow 15. Furthermore, the secondary gas stream 1 5 surrounds the main gas stream 14 at the gas outlet 1 3 annular.
  • the shielding gas may comprise argon or helium or a combination of both as the main constituent. In addition, small admixtures of oxygen, carbon dioxide and / or hydrogen as minor components are possible.
  • a plurality of bypass ducts 5 are arranged peripherally of the front nozzle 3, preferably in an outwardly directed orifice angle of 1 0 ° to 30 ° relative to the longitudinal axis 20 of the front nozzle 3.
  • a cooling body 6 is shown for cooling the burner body 1 0, which in this case has cooling channels 1 2 for guiding a coolant. It can also be provided that a part of the protective gas flow for cooling the
  • Burner body 1 0 is passed through these channels 1 2.
  • Figures 1 and 2 show that the front nozzle 3 is constructed in two parts in the present embodiment and has a center nozzle 2 and a gas nozzle 4. In the context of the invention, it is also conceivable that the front nozzle 3 in one piece
  • FIGS. 3 a to 3 c show detailed views of the center nozzle 2.
  • Figure 3a shows a plan view
  • Figure 3b is a side view
  • FIGS. 4 a to 4 c Analogous views can be taken from FIGS. 4 a to 4 c for the gas nozzle 4.
  • the gas nozzle 4 overlaps the center nozzle 2 at the end of the outer outlet opening 16 of the bypass ducts 5 at least partially over the circumference to form the annular gap 17.
  • the exit of the protective gas from the annular gap 1 7 takes place at the center nozzle 2.
  • the bypass channels 5 open into the outer outlet openings 1 6. Die
  • Center nozzle 2 has an annular surface 23 for the positive fixing of the center nozzle 2 in the axial direction on the burner body 1 0.
  • the annular surface 23 may additionally be provided with key surfaces for better release from the conical press fit of the burner body.
  • the individual discrete bypass ducts 5 open approximately at the level of the annular surface 23 in the annular gap 1 7 and exit from this towards the workpiece 1 1.
  • the center nozzle 2 may be made of copper or a copper alloy and / or the gas nozzle 4 made of brass or a brass alloy.
  • FIGS. 4a to 4c further show that the gas nozzle 4 is intended for
  • Coupling to the center nozzle 2 may be formed as a fastening nut.
  • the center nozzle 2 thus fulfills a dual function by forming the annular gap 1 7 together with the gas nozzle 4 on the one hand and the other as
  • the outlet opening 7 of the center nozzle 2 may have a diameter of about 1 3 to 20 mm 2 , in particular about 1 6 mm 2 .
  • the sum of the cross sections of the bypass ducts 5 of the gas nozzle 4 may be about 18 to 22 mm 2 , in particular about 20 mm 2 . In the example given, for example, eight are
  • bypass ducts 5 are provided, but this number may vary.
  • the ratio of the diameter of the outlet opening 7 to the sum of the cross sections of the bypass channels 5 may be similar, in particular approximately 4: 5.
  • FIGS. 5a to 7 show a joining device 100 with a machine-guided burner 200, 200 ' , for example with a burner body 10 described above, for generating an arc between a non-consumable electrode 1, in particular a tungsten electrode, arranged therein and the workpiece 1 1.
  • a burner changing device 300 is provided for replacing the burner 200 with a new burner 200 ' .
  • a changeable burner 200 may have an exchange interface.
  • a tactile seam guiding system 900 has a position sensor 901, which is arranged movably with respect to the workpiece 11 and at a distance from the burner 200.
  • the position sensor 901 determines the instantaneous position of a measuring sensor attached to the front end of the position sensor 901, which moves along the joint of the workpieces 11 to be connected.
  • the burner 200 is in a movement relative to the position sensor 901 in at least one working position 500 for thermal joining of
  • Joining device 1 00 a distal end 903 of the usually not bewegl I arranged Positionsauf choirs 901 very close, d. H . only a few millimeters, arranged at the front end 201 of the burner 200. For this reason, it can be at a burner change to a Koll ision between burner 200, 200 ' and
  • Position sensor 901 come.
  • the position sensor 901 may include a feeder 904 having a
  • Outlet opening 902 through which a filler 700 for
  • the filler material 700 may be, for example, welding wire or solder wire.
  • the wire can be potential free as cold wire or
  • the tactile seam guiding system 900 thus fulfills a dual function. On the one hand, it has the position sensor 901 for determining the respective position of the burner 200 relative to the seam to be welded or soldered. On the other hand, the tactile seam guiding system 900 also provides the feeding device 904 for guiding the filler material.
  • Figure 5a shows the joining device in a side view
  • Figure 5b in a further side view.
  • the tactile seam guiding system 900 moves along a seam to be welded or soldered.
  • the seam guide system 900 moves and runs after the seam guide system 900, so that thereby a predetermined working direction of the burner 200 is defined.
  • Working direction increased by the burner 200 is moved against the working direction away from the tactile seam guiding system 900.
  • FIG. 7 shows the device 100 with removed burner 200, 200 ' .
  • Means for example gripping arms of a robot, can be provided which decouple the consumed burner 200 ' from the welding energy, in particular from the conduits for the protective gas, the electrical energy and the coolant. Then, the burner 200 'is moved away from the tactile seam guiding system 900, for example, approximately parallel to the longitudinal direction of the burner 200 in the direction of a changer, not shown, so that it closes without colliding with the
  • Suture guide system 900 can be removed.
  • Suture tracking system 900 can be realized, a movable carriage 600 for positioning the coupled to the carriage 600 burner 200 for the replacement of the burner 200 to be replaced against a new burner 200 'is provided.
  • FIGS. 5a to 7 show such a burner.
  • the burner 200 is moved by means of a slide 600 in the direction of the changer and thus of the
  • Feeder 904 moves away.
  • the carriage 600 is necessary because the
  • Burner 200 are arranged so that this feeder 904 in
  • the carriage 600 can be operated electrically, pneumatically or hydraulically.
  • the carriage 600 has a burner holder 601 for holding the burner 200 and / or a coupling device gas 602 for coupling the conduit for guiding the protective gas through the burner body 10 and / or one
  • Coupling device 603 for coupling the lines for the leadership of
  • the burner holder 601 ensures easy unlocking and locking, so that the change of the burner 200, 200 ' can be implemented quickly and safely.
  • the burner 200 can be moved between the working position 500 and the changing position 400 and vice versa. It would also be kbar that the burner 200 is moved exclusively between these two positions. For a particularly high accuracy of the welding or soldering processes can be achieved, the respective positions of the burner 200 must be precisely approached by the controller. To avoid inaccuracies, the burner 200 can be locked at least in the working position 500 and / or the change position 400. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • Coupling device coolant and welding energy

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennerkörper zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer im Brennerkörper angeordneten nicht-abschmelzenden Elektrode, insbesondere einer Wolfram-Elektrode, zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Der Brennerkörper weist eine potentialfreie Frontdüse zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt auf. Ein Nebenstromkanal ist zum Teilen des Schutzgasstromes in einen Hauptgasstrom und einen Nebengasstrom vorgesehen, wobei der Nebengasstrom den Hauptgasstrom am Gasaustritt ringförmig umgibt.

Description

Bezeichnung: Brennerkörper zum thermischen Fügen Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Brennerkörper sowie einen Brenner mit einem derartigen Brennerkörper und ein Verfahren zum thermischen Fügen wenigstens eines
Werkstückes, insbesondere zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 , 17 und 18. Ferner betrifft die Erfindung eine
Fügevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 19.
Thermische Fügeverfahren nutzen Energie, um die Werkstücke aufzuschmelzen und sie zu verbinden. In der Blechfertigung kommen standardmäßig„MIG",„MAG" sowie „WIG"-Schweißen zum Einsatz. Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender
Elektrode (MSG) steht„MIG" für„Metall-Inertgas", und„MAG" für„Metall-Aktivgas". Bei schutzgasunterstützten Lichtbogenschweißverfahren mit nicht-abschmelzender Elektrode (WSG) steht„WIG" für„Wolfram-Inertgas". Die erfindungsgemäßen Schweißvorrichtungen können als maschinengeführter Schweißbrenner ausgeführt sein.
Lichtbogenschweißvorrichtungen erzeugen zum Aufschmelzen des Schweißgutes einen Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer abschmelzenden oder nicht abschmelzenden Schweißelektrode. Das Schweißgut sowie die Schweißstelle werden von einem Schutzgasstrom gegenüber den Atmosphärengasen,
hauptsächlich N2, O2, H2, der Umgebungsluft abgeschirmt.
Dabei ist die Schweißelektrode an einem Brennerkörper eines Schweißbrenners vorgesehen, der mit einem Lichtbogenschweißgerät verbunden ist. Der
Brennerkörper enthält gewöhnlich eine Gruppe von innenliegenden,
schweißstromführenden Bauteilen, die den Schweißstrom von einer
Schweißstromquelle in dem Lichtbogenschweißgerät zur Spitze des Brennerkopfes auf die Schweißelektrode leiten, um dann von dort aus den Lichtbogen zum
Werkstück zu erzeugen.
Der Schutzgasstrom umströmt die Schweißelektrode, den Lichtbogen, das
Schweißbad und die Wärmeeinflusszone am Werkstück und wird diesen Bereichen dabei über den Brennerkörper des Schweißbrenners zugeführt. Eine Gasdüse leitet den Schutzgasstrom zum Vorderende des Brennerkopfes, wo der Schutzgasstrom etwa ringförmig um die Schweißelektrode aus dem Brennerkopf austritt. Der zum Schweißen erzeugte Lichtbogen erhitzt während des Schweißvorgangs das zu schweißende Werkstück sowie gegebenenfalls zugeführtes Schweißgut, sodass diese aufgeschmolzen werden. Durch den Lichtbogenenergieeintrag, die hochenergetische Wärmestrahlung und Konvektion kommt es zu einem
signifikanten Wärmeeintrag in den Brennerkopf des Schweißbrenners. Ein Teil der eingetragenen Wärme kann durch den durch den Brennerkopf geleiteten
Schutzgasstrom beziehungsweise durch die passive Kühlung in der Umgebungsluft sowie die Wärmeleitung in das Schlauchpaket wieder abgeführt werden.
Ab einer gewissen Schweißstrombelastung des Brennerkopfes ist der
Wärmeeintrag jedoch so groß, dass eine sogenannte aktive Kühlung des
Brennerkopfes erforderlich ist, um die eingesetzten Bauteile vor thermischem Materialversagen zu schützen. Hierzu wird der Brennerkopf aktiv mit einem
Kühlmittel gekühlt, welches den Brennerkopf durchströmt und dabei die aus dem Schweißprozess aufgenommene und unerwünschte Wärme abtransportiert. Als Kühlmittel kann dabei beispielsweise entionisiertes Wasser mit Zusätzen von Ethanol oder Propanol zum Zweck des Frostschutzes verwendet werden.
Neben dem Schweißen kommt auch das Löten in Betracht, um Blechbauteile zu verbinden. Anders als beim Schweißen wird dabei nicht das Werkstück, sondern nur der Zusatzwerkstoff geschmolzen. Der Grund dafür ist, dass beim Löten zwei Kanten durch das Lot als Zusatzwerkstoff miteinander verbunden werden. Die
Schmelztemperaturen des Lotwerkstoffes und der Bauteilwerkstoffe liegen weit auseinander, weshalb bei der Bearbeitung nur das Lot schmilzt. Zum Löten eignen sich neben WIG-, Plasma- und MIG-Brennern auch LASER.
Die Lichtbogen-Lötprozesse können im Metallschutzgas-(MSG-L)- und Wolfram- Schutzgas-(WSG-L)-Lötprozesse unterteilt werden. Als Zusatzwerkstoff werden hierbei überwiegend drahtförmige Kupferbasis-Werkstoffe eingesetzt, deren Schmelzbereiche niedriger sind, als die der Grundwerkstoffe. Das Prinzip des MSG-Lichtbogenlötens ist gerätetechnisch weitgehend identisch mit dem MSG-Schweißen mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff. Beim WIG-Löten wird der drahtförmige Zusatzwerkstoff manuell oder mechanisiert seitlich in den Lichtbogen gefördert. Der Zusatzwerkstoff kann dabei stromlos als Kaltdraht oder strombeaufschlagt als Heißdraht zugeführt werden. Mit Heißdraht werden höhere Abschmelzleistungen erreicht, aber der Lichtbogen durch das zusätzliche Magnetfeld beeinflusst. In der Regel wird das Lichtbogen-Löten an oberflächenveredelten bzw. unbeschichteten Feinblechen eingesetzt, da unter anderem durch die niedrigere Schmelztemperatur des Lotes im Vergleich zum Schweißen eine geringere thermische Belastung der Bauteile erreicht wird, und die Beschichtung weniger geschädigt wird. Beim Lichtbogen-Löten kommt es zu keiner wesentlichen Aufschmelzung des Grundwerkstoffes.
Die Lichtbogen-Lötprozesse werden im Allgemeinen an unbeschichteten und metallisch überzogenen Blechen aus un- und niedriglegiertem Stahl im Dickenbereich bis maximal etwa 3 mm eingesetzt. Zum Lichtbogen-Löten können üblicherweise Argon 11 oder Ar-Gemische mit
Beimischungen von CO2, O2 oder H2 nach DIN ISO 14175 eingesetzt werden. Beim WIG-Löten können handelsübliche WIG-Brenner verwendet werden.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik bekannt sind Lichtbogen-Prozesse mit modifizierten WIG- Brennern, um konzentrierte Lichtbögen für Hochgeschwindigkeits-Lötanwendungen bereit zu stellen. Nachteilig bei den bekannten Brennern sind der Einsatz von
Spezialelektroden, die begrenzte Standzeit der Elektrode und die geringe
Wartungsfreundlichkeit durch offene Kühlkreise und komplizierte
Elektrodeneinstellungen.
Aus der EP 2008 750 B1 ist ein Wolfram-Inertgas-Brenner bekannt, der einen
Gehäusezylinder mit einem oberen Deckelverschluss aufweist, durch den zumindest eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung für Kühlmittel sowie eine Inertgaszuleitung und ein Elektroanschluss für den Betrieb einer Wolframelektrode geführt sind.
Ferner ist ein innerhalb des Gehäusezylinders befindlicher länglicher Kühlkörper mit einem darin befindlichen länglichen, an der oberen Stirnseite des Kühlkörpers offenen Hohlraum und einem darauf befindlichen Innendeckelverschluss vorgesehen, durch den die Leitungen für das Kühlmittel führen. Auf der unteren Stirnseite des Kühlkörpers ist längs der Brennerkopfachse eine eingelassene Gewindebohrung vorgesehen, die eine in die Gewindebohrung pass- und arretierfähige Elektrode mit einem zylindrischen und mit einer Kegelspitze versehenen Wolframelektroden körper aufweist, dessen
Spitzenende in einem vorgegebenen Abstand zur unteren Stirnseite des Kühlkörpers angeordnet ist.
Ferner weist der Schweißbrenner eine mit dem länglichen Kühlkörper unter Einbindung von Längskanälen in Verbindung stehende Gasdüse auf, die den Kühlkörper und die Elektrode umgibt. Aus der EP 2 894 005 A1 , der WO 2015/105567 A1 und der US 2016/0221 127 A1 ist eine Elektrode und eine Schweißbrenneranordnung mit einer derartigen Elektrode bekannt. Die Elektrode umfasst dabei einen langgestreckten Körper, der eine
Längsachse definiert, sowie einen Spitzendabschnitt mit einem ersten Kegelstumpf und einen Arbeitsendabschnitt mit einem zweiten Kegelstumpf, wobei der langgestreckte Körper zwischen dem Spitzendabschnitt und dem Arbeitsendabschnitt angeordnet ist. Der Schweißbrenner weist eine an einer Montageplatte befestigte Einstellschiene auf sowie einen gegenüber der Verstellspur verschiebbaren Verstell körper, einen Brennerkörper, einen Elektrodenhalter mit einer Längsachse und eine Haltemutter, welche die Elektrode in dem Elektrodenhalter sichert. Die Elektrodenhaltemutter berührt die abgewinkelte Oberfläche des Spitzendabschnitts. Aus der EP 0 962 277 A1 ist ein Plasma-Schweißbrenner bekannt, der eine Kammer, in der eine sich nicht verzehrende, an eine Gleichstromquelle angeschlossene Elektrode angeordnet ist. Die Kammer ist mit einem Austrittskanal und einem Eintrittskanal für ein Plasmagas versehen. Die Elektrode weist einen freien Endabschnitt auf. Die Spitze der Elektrode ist an ihrem freien Ende abgeflacht und ragt aus der freien Stirnseite des Mündungsteils vor. Ferner weist das Mündungsteil im Bereich seines Kopfes weitere Kanäle auf, die den kegelmantelförmigen Austrittskanal konzentrisch umgeben.
Der Austrittskanal ist von weiteren, zur Führung von kaltem Plasmagas vorgesehenen, Kanälen umgeben. Das aus dem Austrittskanal ausströmende Plasmagas soll den Plasmastrahl außerhalb des Austrittskanals des Brenners zusammenhalten bzw.
einschnüren. Das Plasmagas strömt im Wesentlichen entlang eines eine bestimmte Wandstärke aufweisenden Kegelmantels aus.
Nachteilig bei den bekannten Brennern sind der Einsatz von Spezialelektroden, die begrenzte Standzeit der Elektrode sowie die geringe Wartungsfreundlichkeit durch offene Kühlkreise und komplizierte Elektrodeneinstellungen.
Darüber hinaus begrenzt das Löten von verzinkten Blechen, beispielsweise in eng getakteten Fertigungen der Automobilindustrie, infolge von Auflegierungen der
Elektrode deren Lebensdauer und verursacht dadurch negative
Prozessbeeinflussungen sowie häufige Wartungen.
Ausgehend von den zuvor beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Brennerkörper anzugeben, welcher einen einfachen, kostengünstigen und kompakten Aufbau aufweist und gleichzeitig Schutz der Elektrode vor Zinkdampf unter Bereitstellung eines konzentrierten Lichtbogens für kurze
Lichtbogenlängen gewährleistet. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Brennerkörper zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenschweißen oder
Lichtbogenlöten gemäß Anspruch 1 sowie mit einem Brenner mit einem derartigen Brennerkörper gemäß Anspruch 16 und einem Verfahren zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstückes gemäß Anspruch 17. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch eine Fügevorrichtung gemäß Anspruch 18 gelöst.
Darstellung der Erfindung Gemäß der Erfindung ist ein Brennerkörper zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer im Brennerkörper angeordneten nicht-abschmelzenden Elektrode, insbesondere einer Wolfram-Elektrode, zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und dem Werkstück vorgesehen. Darüber hinaus ist eine
potentialfreie Frontdüse zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt vorgesehen.
Erfindungsgemäß weist die Frontdüse wenigstens einen Nebenstromkanal zum Teilen des Schutzgasstromes in einen Hauptgasstrom und einen Nebengasstrom auf. Ferner umgibt der Nebengasstrom den Hauptgasstrom gemäß der Erfindung am Gasaustritt ringförmig.
Wie oben erwähnt, brennt beim WIG-Schweißen ein Lichtbogen frei zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode, welche in der Regel kathodisch gepolt ist, und dem Werkstück. Dieser Schweißprozess wird durch eine Schutzgasströmung geschützt. Das Schutzgas kann Argon oder Helium oder eine Mischung aus beiden als Hauptbestandteil aufweisen.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Kombination aus minimaler Baugröße und zweigeteilter Gasführung erreicht wird, dass insbesondere gegenüber anderen Brennertypen, beispielsweise Plasmabrennern zusätzlicher Platzbedarf für eine zweite Gasströmung im Brenner sowie die Isolation für ein weiteres elektrisches Potential eingespart werden. Darüber hinaus ist der Einsatz einer konventionellen WIG-Stromquelle möglich, wodurch die Kosteneffizienz der Brennervorrichtung weiter erhöht wird. Der neben der Hauptgasströmung vorgesehene Nebengasstrom ermöglicht einen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Brennerkörpern großen wärmeleitenden Querschnitt der Frontdüse. Durch die Nebenstromkanäle wird die mit dem Schutzgasstrom abgedeckte Fläche vergrößert. Die Frontdüse übernimmt daher nicht nur eine Schutzfunktion für die Elektrode vor Zinkverdampfungen, sondern sorgt darüber hinaus auch für eine gute Kühlung im Prozessbereich.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehrere Nebenstromkanäle umfangseitig der Frontdüse, vorzugsweise in einem nach außen gerichteten Mündungswinkel von 10° bis 30° gegenüber der Längsachse der Frontdüse angeordnet sind. Durch die nach außen gerichteten Nebenstromkanäle wird die mit dem Schutzgasstrom abgedeckte Fläche weiter vergrößert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann
vorgesehen sein, dass die Elektrode das dem Werkstück zugewandte distale Ende des Brennerkörpers bildet oder etwa bündig mit diesem abschließt. Dadurch wird ein optimaler Zündvorgang des Lichtbogens erreicht.
Alternativ kann die Frontdüse das dem Werkstück zugewandte distale Ende des Brennerkörpers bilden und die Elektrode gegenüber diesem Ende zurückstehen, insbesondere um etwa 0,5 bis 1 ,5 mm.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Elektrode einen im Wesentlichen zylinderförmigen Abschnitt und/oder ein
werkstückzugewandtes angespitztes Ende auf. Das angespitzte Ende der
Elektrode kann einen Anspitzwinkel von 20° bis 45°, vorzugsweise 30°, aufweisen. Das werkstückzugewandte Ende der Elektrode kann ein Kegelstumpfplateau mit einem Plateaudurchmesser von etwa 0,5 bis 1 ,5 mm, vorzugsweise 1 ,0 mm, aufweisen. Da sich der Lichtbogen zwischen Werkstück und Elektrode ausbildet, ist die dem Werkstück zugewandte geometrische Form der Elektrodenspitze für die Dimension und Gestalt des Lichtbogens und auch für den Zündvorgang des
Brenners entscheidend. Aus diesem Grund ist an diesem Elektrodenende ein Plateau vorgesehen, so dass in diesem Bereich der Lichtbogen im Wesentlichen senkrecht und geradlinig von Elektrode zum Werkstück verläuft. Die Wirkung des Lichtbogens ist somit im Prozessbereich weiter optimiert. In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Kühlkörper zum Kühlen des
Brennerkörpers vorgesehen, insbesondere weist der Kühlkörper Kühlkanäle zum Führen eines Kühlmittels auf. Eine aktive Kühlung des Brennerkopfes ist
erforderlich, um die eingesetzten Bauteile vor thermischem Materialversagen zu schützen . Hierzu wird der Brennerkopf aktiv mit Kühlmittel gekühlt, welches den Brennerkopf durchströmt und dabei die aus dem Schweißprozess aufgenommene und unerwünschte Wärme abtransportiert. Wie erwähnt, kann als Kühlmittel beispielsweise entionisiertes Wasser mit Zusätzen von Ethanol oder Propanol zum Zweck des Frostschutzes verwendet werden. Alternativ ist es auch möglich, das Schutzgas oder Luft als Kühlmittel durch die Kühlkanäle zu führen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Frontdüse zweiteilig aufgebaut. Im Sinne der Erfindung ist es auch denkbar, dass die Frontdüse 3 einstückig ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß weist die Frontdüse eine
Zentrumsdüse und eine Gasdüse auf. Durch die Ausgestaltung der Frontdüse mit Zentrumsdüse und Gasdüse wird erreicht, dass einerseits der Aufbau kompakter wird und andererseits die beiden Düsen jeweils einen vergleichsweise kleinen Durchmesser für die Kanäle zum Führen der Schutzgasströme aufweisen. Auf diese Weise kann der Brennerkörper im vorderen Bereich, d.h.
werkstückzuweisend, deutlich schlanker bauen.
Die Zentrumsdüse kann aus Kupfer oder einer Kupferlegierung für eine sehr hohe Wärmeleitung und/oder die Gasdüse aus Messing oder einer Messinglegierung für eine hohe Wärmeleitung bei gleichzeitig hoher Festigkeit bestehen. Alternativ kann die Gasdüse auch aus Keramik ausgeführt sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung isoliert ein innerer elektrischer Isolator die Frontdüse gegenüber der Elektrode.
Es kann eine weitere Isolation, die sogenannte Außenisolation, vorgesehen sein, um die von außen zugänglichen Bauteile des Schweißbrenners, insbesondere des Brennerkörpers, die so genannten potentialfreien Bauteile, gegenüber den potenzialbehafteten Bauteilen im Inneren des Schweißbrenners elektrisch zu isolieren, um durch deren Spannungsfreiheit für einen Berührungsschutz gegen elektrischen Schlag sowie für den Schutz anderer Maschinen und Geräte zu gewährleisten. Außerdem wird durch diese Maßnahme ein Abwandern des
Lichtbogens von der Schweißelektrode weg verhindert. Ein Abwandern des
Lichtbogens von der Schweißelektrode weg kann bei herkömmlichen
Lichtbogenschweißvorrichtungen zur Folge haben, dass der Lichtbogen auf die Gasdüse oder das Brennerhalsschutzrohr überspringt und diese anschmilzt. Auf diese Weise kann das betreffende Bauteil vorzeitig unbrauchbar werden und muss ersetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der
Zentrumsdüse und der Gasdüse ein Ringspalt zur Vergleichmäßigung und Führung des Nebengasstroms ausgebildet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Gasdüse die Zentrumsdüse am Ende der Austrittsöffnung der Nebenstromkanäle zur Bildung des Ringspaltes über den Umfang wenigstens teilweise überlappt. Dadurch ist eine weiter verbesserte Schutzgasabdeckung im Prozessbereich und für die Naht gewährleistet. Dadurch wird die Schutzfunktion für die Elektrode vor Zinkverdampfungen weiter verbessert. Darüber hinaus findet eine optimale
Wärmeleitung und Wärmeübertragung auf den Brennerkörper statt. Gleichzeitig wird der Aufbau des Brennerkörpers noch kompakter. In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Zentrumsdüse die Nebenstromkanäle auf. Dadurch wird der Frontbereich des Brennerkörpers kompakter. Denn eine optimale Kühlung des Brennerkörpers wird durch die
Nebenstromkanäle erreicht, welche sich vorzugsweise in Höhe einer Anlagefläche der Zentrumsdüse befinden, und somit die Düsenspitze frei von Bohrungen oder Kanälen ist, so dass sie schlank und kompakt für gute Bauteilzugänglichkeiten ausgestaltet ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
Zentrumsdüse eine Austrittsöffnung mit einem Querschnitt von etwa 5 bis 22 mm2, insbesondere etwa 12,5 bis 15,9 mm2 aufweist, wobei der Querschnitt der
Austrittsöffnung kleiner oder gleich dem Querschnitt der Elektrode im Bereich des zylindrischen Abschnitts der Elektrode ist, sodass eine gleichmäßige
Ausströmungen an der angespitzten Elektrode gewährleistet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Summe der Querschnitte der Nebenstromkanäle der Zentrumsdüse etwa 12 bis 22 mm2, insbesondere etwa 20 mm2, beträgt, sodass eine gleichmäßige Verteilung der Volumenströme zwischen dem Nebengasstrom und dem
Hauptgasstrom gewährleistet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis des Querschnitts der Austrittsöffnung zur Summe der Querschnitte der
Nebenstromkanäle etwa ähnlich, vorzugsweise etwa 4:5. Aus diesem Grund ist die einschnürende Wirkung der Gasdüse relativ gering. Sie übernimmt stattdessen vor allem eine Schutzfunktion für die Elektrode vor aufsteigendem Zinkdampf, insbesondere beim Löten verzinkter Bleche.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gasdüse zum Ankoppeln an die Zentrumsdüse als Befestigungsmutter ausgebildet. Auf diese Weise wird die Montage der Düse signifikant vereinfacht. Darüber hinaus ist auch der Austausch der Zentrumsdüse besonders einfach möglich. Denn die als Befestigungsmutter bzw. Überwurfmutter wirkende Gasdüse, welche ein Innengewinde aufweisen kann, wird bei einem Wechsel über die Zentrumsdüse gestülpt und mittels eines entsprechenden Außengewindes des Brennerkörpers mit diesem verbunden. Bei einem Austausch der Zentrumsdüse, beispielsweise bei einem Defekt oder bei Verschleiß der Düse, wird die Gasdüse mittels Gewinde gelöst und entnommen, so dass die auszutauschende Zentrumsdüse aus dem Brennerkörper einfach herausgenommen werden kann. Um das Herausnehmen zu erleichtern, kann die Ringfläche der Zentrumsdüse mit zusätzlichen
Schlüsselflächen versehen sein. Nachdem eine neue Zentrumsdüse in den Körper eingesetzt ist, wird die Gasdüse wieder auf das Gewinde des Brennerkörpers aufgeschraubt und befestigt. Damit wird die Zentrumsdüse in den konischen Sitz im Brennerkörper gepresst und ein optimaler Wärmeübergang erreicht.
Nach einem ersten unabhängigen Gedanken der Erfindung ist ein Brenner mit einem erfindungsgemäßen Brennerkörper vorgesehen.
In einem weiteren unabhängigen Gedanken der Erfindung ist ein Verfahren zum thermischen Fügen von wenigstens einem Werkstück, insbesondere zum
Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten beschrieben, mit einer nicht- abschmelzenden Elektrode zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der
Elektrode und dem Werkstück. Ferner ist ein Schutzgasstrom vorgesehen, welcher aus einer potentialfreien Frontdüse ausströmt. Der Schutzgasstrom wird in einen die Elektrode direkt umgebenden Hauptgasstrom und einen am Vorderende des Brennerkörpers austretenden Nebengasstrom aufgespalten, wobei der
Nebengasstrom den Hauptgasstrom am Gasaustritt ringförmig umgibt.
In einem weiteren unabhängigen Gedanken der Erfindung ist eine Fügevorrichtung zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks, insbesondere zum
Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, vorgesehen. Die Fügevorrichtung weist einen maschinengeführten Brenner zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen einer darin angeordneten nicht-abschmelzenden Elektrode, insbesondere einer Wolfram-Elektrode, und dem Werkstück auf. Ferner kann die Fügevorrichtung einen zuvor beschriebenen Brennerkörper aufweisen.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Fügevorrichtung eine
Brennerwechselvorrichtung zum Austausch des Brenners gegen einen neuen Brenner sowie ein taktiles Nahtführungssystem auf. Ein Positionsaufnehmer ist bewegbar bezüglich des Werkstücks und beabstandet zu dem Brenner angeordnet, wobei der Brenner an das taktile Nahtführungssystem gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist der Brenner in einer Bewegung relativ gegenüber dem
Positionsaufnehmer in wenigstens eine Arbeitsstellung zum thermischen Fügen des Werkstückes und eine Wechselstellung zum Wechseln des Brenners gegen einen neuen Brenner bringbar. Zur Optimierung von Prozesslaufzeiten und zur Minimierung von Standzeiten des Brenners kann der Brenner ausgetauscht werden, obwohl möglicherweise lediglich die abgenutzte oder defekte Elektrode und/oder die Düse des Brenners
auszutauschen wären. Aufgrund der Kraftaufbringung auf den Zusatzwerkstoff bei gleichzeitiger
wärmebedingter Erweichung des Zusatzwerkstoffs ist das freie Drahtende so kurz wie möglich zu halten, wodurch der in der Regel nicht beweglich angeordnete Positionsaufnehmer der thermischen Fügevorrichtung sehr nah am Vorderende des Brenners angeordnet ist. In der Regel beträgt dieser Abstand lediglich wenige Millimeter. Aus diesem Grund kann es bei einem manuellen oder automatisierten Brennerwechsel zu einer Kollision zwischen Brenner und Positionsaufnehmer kommen. Da der Positionsaufnehmer eine Auslassöffnung aufweisen kann, durch welche ein Zusatzwerkstoff zum Schweißen oder zum Löten bis unmittelbar in die Nähe des Brennerkopfs bringbar ist, kann es auch zu Kollisionen zwischen Brenner und dem Zusatzwerkstoff kommen, beispielsweise durch einen nicht vollständig zurückgezogenen Zusatzdraht. Diese Kollisionen könnten Beschädigungen des Brenners und/oder der taktilen Nahtführung verursachen. Der Brennerwechsel ist gegenüber dem manuellen Wechsel der Elektrode oder von weiteren Brennerkomponenten, wie beispielsweise der Frontdüse, vorteilhaft, da weder Frontdüse noch Elektrode manuell entfernt und ausgetauscht werden müssen. Dagegen wird der Brenner zusammen mit Elektrode und Düse
gewechselt, wodurch es zu weniger Stillstand der thermischen Fügevorrichtung kommt.
Es kann beispielsweise ein Magazin vorgesehen sein, das eine Vielzahl von neuen Brennern enthält, auf weiche bei Bedarf mittels eines automatisierten oder manuellen Verfahrens zum Wechseln eines defekten oder verschlissenen Brenners zurückgegriffen werden kann, beispielsweise durch einen Greifarm, welcher über eine Ankoppelvorrichtung an den Brenner ankoppeln und diesen auf diese Weise transportieren kann. Zusätzlich kann das taktile Nahtführungssystem auch mit einer weiteren
Schutzgaszuführung in Richtung des Brenners ausgerüstet sein.
Ferner kann mittels des Positionsaufnehmers die momentane Position des am Vorderende des Aufnehmens angebrachten Sensors, welcher sich entlang der Fügestelle der zu verbindenden Werkstücke bewegt, über eine Steuereinheit an Aktuatoren weitergegeben werden, welche die Bewegung der Fügevorrichtung steuern. Die Fügevorrichtung selbst kann zusätzliche Aktuatoren aufweisen, welche gegenüber einer Robotersteuerung eine präzisere Bewegung des taktilen Nahtführungssystems realisieren können.
In der Arbeitsstellung bewegt sich das taktile Nahtführungssystem entlang einer zu schweißenden oder zu lötenden Naht. Im geringen Abstand hierzu bewegt sich der Brenner und läuft dem Nahtführungssystem„nach". Dadurch ist eine vorgegebene Arbeitsrichtung des Brenners definiert, bei welcher sich das Brennerende
unmittelbar in der Nähe des taktilen Nahtführungssystems befindet und diesem folgt. In der Wechselstellung ist der Abstand zwischen Brenner und Nahtführungssystem, insbesondere entlang der Arbeitsrichtung, vergrößert, indem der Brenner entgegen der Arbeitsrichtung vom Nahtführungssystem weg bewegt wird. Sobald er Abstand zwischen Brenner und taktilem Nahtführungssystem vergrößert ist, kann der auszutauschenden Brenner entnommen und durch einen neuen Brenner ersetzt werden. Es können Mittel, beispielsweise Greifarme eines
Roboters, vorgesehen sein, welche den verbrauchten Brenner zum Wechseln von der Schweißenergie entkoppeln, insbesondere von den Leitungen für das
Schutzgas, die elektrische Energie und das Kühlmittel. Sodann wird der Brenner vom taktilen Nahtführungssystem wegbewegt, beispielsweise in etwa parallel zur Längsrichtung des Brenners in Richtung eines Wechslers, so dass er schließlich ohne Kollision mit dem Nahtführungssystem entnommen werden kann. In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein verfahrbarer
Schlitten zum Positionieren des am Schlitten angekoppelten Brenners für den Wechsel des Brenners gegen einen neuen Brenner vorgesehen. Zur Vermeidung der Kollision zwischen Brenner und Positionsaufnehmer bzw. taktilem
Nahtführungssystem wird der Brenner mittels eines Schlittens in Richtung
Wechsler und damit von dem Positionsaufnehmer bzw. der taktilen Nahtführung weg bewegt. Der Schlitten ist notwendig, da die Zuführvorrichtung für den
Zusatzwerkstoff und ein Nahtsensor des taktilen Nahtführungssystems starr, d. h. nicht bewegbar bezüglich des Brenners angeordnet, sind, so dass diese
Zuführvorrichtung im Wechselvorgang des Brenners hinderlich ist und aufgrund des sehr geringen Abstandes zum Brenner Kollisionen und Beschädigungen des Brenners und/oder der taktilen Nahtführung verursachen könnte.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Schlitten elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben, so dass eine exakte Steuerung des Schlittens gewährleistet ist.
In einer weiteren Variante der Erfindung weist der Schlitten eine Brennerhalterung zum Halten des Brenners und/oder eine Koppelvorrichtung zum Zuführen der Schweißenergie auf. Bei dieser Schweißenergie handelt es sich unter anderem um elektrische Energie und um Zuführleitungen für das Kühlmittel sowie das
Schutzgas. Bei einem Brennerwechsel müssen entsprechende Kupplungen zur Verbindung der Leitungen für die Führung der Schweißenergie durch den
Brennerkörper einfach zu ent- und verriegeln sein, damit der Wechsel des
Brenners schnell, sauber und sicher realisiert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Brenner wenigstens in der Arbeitsstellung arretiert. Damit eine besonders hohe Genauigkeit der Schweiß- oder Lötprozesse erreicht werden kann, müssen die jeweiligen Stellungen des Brenners durch die Steuerung präzise angefahren werden. Zur Vermeidung von Ungenauigkeiten ist der Brenner zumindest in der Arbeitsstellung arretiert. Im Sinne der Erfindung ist es darüber hinaus auch denkbar, dass der Brenner in weiteren Stellungen, beispielsweise der Wechselstellung, arretierbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenner ausschließlich zwischen der Arbeitsstellung und der Wechselstellung und umgekehrt bewegbar. Auch hierdurch wird die Genauigkeit der Fügevorrichtung weiter erhöht. Darüber hinaus wird auch die Taktfrequenz der Vorrichtung erhöht. Denn dadurch, dass lediglich zwei Stellungen angefahren werden, können Fehlfunktionen und damit Stillstände der Vorrichtung reduziert werden. Diese beiden Stellungen können als stabile Stellungen ausgestaltet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das
Nahtführungssystem eine, insbesondere an dem Positionsaufnehmer angeordnete Auslassöffnung auf, durch welche der Zusatzwerkstoff zum Lichtbogenlöten oder Lichtbogenschweißen ausgebbar ist. Bei dem Zusatzwerkstoff kann es sich beispielsweise um Schweißdraht oder Lotdraht handeln. Das Nahtführungssystem erfüllt somit eine Doppelfunktion. Zum einen dient es als Ausgabe für den
Zusatzwerkstoff, zum anderen als taktiles Messsystem. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein distales Ende des Nahtführungssystems unmittelbar in der Nähe des Vorderendes des Brenners angeordnet. Dadurch ist eine besonders kompakte Bauform der Vorrichtung gegeben.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Dabei zeigen zum Teil schematisch: Figur 1 einen Brennerkörper zum thermischen Fügen wenigstens eines
Werkstücks mit einer Zentrumsdüse und einer Gasdüse
Figur 2 Detailansichten des Brennerkörpers in Draufsicht (a), Seitenansicht
(b) und als Schnittdarstellung (c),
Figur 3 Detailansichten der Zentrumsdüse in Draufsicht (a), Seitenansicht
(b) und als Schnittdarstellung (c),
Figur 4 Detailansichten der Gasdüse in Draufsicht (a), Seitenansicht (b) und als Schnittdarstellung (c),
Figur 5a eine schematische Darstellung einer Fügevorrichtung in
Arbeitsstellung in einer ersten Seitenansicht, Figur 5b eine schematische Darstellung einer Fügevorrichtung in
Arbeitsstellung in einer weiteren Seitenansicht, Figur 6 schematische Darstellung der Fügevorrichtung in Wechselstellung und
Figur 7 schematische Darstellung der Fügevorrichtung mit entnommenen
Brenner.
Gleiche oder gleichwirkende Bauteile werden in den nachfolgend dargestellten Figuren der Zeichnung anhand einer Ausführungsform mit Bezugszeichen versehen, um d ie Lesbarkeit zu verbessern .
Aus Figur 1 geht ein Brennerkörper 1 0 zum thermischen Fügen wen igstens eines Werkstücks 1 1 , insbesondere zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer im Brennerkörper 1 0 angeordneten nicht-abschmelzenden Elektrode 1 , insbesondere einer Wolfram-Elektrode, zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode 1 und dem Werkstück 1 1 hervor.
Die Elektrode 1 schließt in der vorl iegenden Ausführungsform der Erfindung etwa bündig mit dem Brennerkörper 1 0 ab, d . h . sie bildet zusammen mit den weiteren Bauteilen des Brennerkörpers 1 0 dessen Vorderende 1 8. Es kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Elektrode 1 das dem Werkstück 1 1 zugewandte distale Ende 9 des Brennerkörpers 1 0 bildet und über die weiteren Bauteile des Brennerkörpers 1 0 zum Vorderende 1 8 hinausragt. Alternativ wäre es auch denkbar, dass zumindest ein Teil einer Düse das dem Werkstück 1 1 zugewandte distale Ende 9 des Brennerkörpers 1 0 bildet und die Elektrode 1 gegenüber diesem Ende 9 zurücksteht, insbesondere um etwa 0,5 bis 1 ,5 mm .
Die Elektrode 1 kann einen im Wesentlichen zylinderförmigen Abschnitt 21 und/oder ein werkstückzugewandtes angespitztes Ende 22 aufweisen .
Wie Figur 1 zeigt, ist eine von der Elektrode 1 mittels einem inneren Isolator 8 elektrisch potentialgetrennte bzw. potentialfreie Frontdüse 3 zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt 1 3 des Brenners vorgesehen . Der innere Isolator 8 kann beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff bestehen oder diesen beinhalten . Aus Figur 1 weiter zu entnehmen ist eine Außenisolation 1 9, um die für den
Benutzer von außen zugänglichen Bauteile des Brenners, insbesondere des Brennerkörpers gegenüber den potenzialbehafteten Bauteilen im Inneren des Schweißbrenners elektrisch zu isol ieren . Außerdem wird durch diese
Außenisolation 1 9 ein Abwandern des Lichtbogens von der Elektrode 1 weg verhindert.
Die Frontdüse 3 weist wenigstens einen Nebenstromkanal 5 zum Teilen des Schutzgasstromes in einen Hauptgasstrom 14 und einen Nebengasstrom 1 5 auf. Ferner umgibt der Nebengasstrom 1 5 den Hauptgasstrom 14 am Gasaustritt 1 3 ringförmig . Das Schutzgas kann Argon oder Hel ium oder eine Kombination aus beiden als Hauptbestandteil aufweisen . Zusätzlich sind geringe Zumischungen von Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und/oder Wasserstoff als Nebenbestandteile möglich .
Wie Figur 1 sowie Figuren 2a bis 2c und 3a bis 3c zu entnehmen ist, sind mehrere Nebenstromkanäle 5 umfangseitig der Frontdüse 3, vorzugsweise in einem nach au ßen gerichteten Mündungswinkel von 1 0° bis 30° gegenüber der Längsachse 20 der Frontdüse 3 angeordnet.
In Figur 1 ist ein Kühl körper 6 zum Kühlen des Brennerkörpers 1 0 gezeigt, welcher vorliegend Kühl kanäle 1 2 zum Führen eines Kühlmittels aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Teil des Schutzgasstroms zum Kühlen des
Brennerkörpers 1 0 durch diese Kanäle 1 2 geleitet wird .
Figuren 1 und 2 zeigen, dass die Frontdüse 3 in der vorliegenden Ausführungsform zweiteilig aufgebaut ist und eine Zentrumsdüse 2 und eine Gasdüse 4 aufweist. Im Sinne der Erfindung ist es auch denkbar, dass die Frontdüse 3 einstückig
ausgestaltet ist. Aus Figuren 3a bis 3c gehen Detailansichten der Zentrumsdüse 2 hervor. Figur 3a zeigt eine Draufsicht, Figur 3b eine Seitenansicht und Figur 3c eine
Schnittdarstellung der Zentrumsdüse 2. Der Hauptgasstrom 14 des
Schutzgasstromes tritt aus einer inneren Austrittsöffnung 7 der Zentrumsdüse 2 aus.
Analoge Ansichten sind den Figuren 4a bis 4c für die Gasdüse 4 zu entnehmen .
Zwischen der Zentrumsdüse 2 und der Gasdüse 4 ist ein Ringspalt 1 7 zur
Vergleichmäßigung und Führung des Nebengasstroms 1 5 ausgebildet. Wie Figuren 2a bis 2c verdeutl ichen, überlappt die Gasdüse 4 die Zentrumsdüse 2 am Ende der äu ßeren Austrittsöffnung 1 6 der Nebenstromkanäle 5 zur Bildung des Ringspaltes 1 7 über den Umfang wenigstens teilweise. Der Austritt des Schutzgases aus dem Ringspalt 1 7 erfolgt an der Zentrumsdüse 2. Die Nebenstromkanäle 5 münden in die äußeren Austrittsöffnungen 1 6. Die
Zentrumsdüse 2 weist eine Ringfläche 23 zum formschlüssigen Festlegen der Zentrumsdüse 2 in axialer Richtung an dem Brennerkörper 1 0 auf. Die Ringfläche 23 kann zusätzl ich mit Schlüsselflächen zum besseren Herauslösen aus dem konischen Presssitz des Brennerkörpers versehen sein . Die einzelnen diskreten Nebenstromkanäle 5 münden in etwa auf Höhe der Ringfläche 23 in den Ringspalt 1 7 und treten aus diesem in Richtung Werkstück 1 1 aus.
Die Zentrumsdüse 2 kann aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und/oder die Gasdüse 4 aus Messing oder einer Messinglegierung bestehen .
Den Figuren 4a bis 4c ist ferner zu entnehmen, dass die Gasdüse 4 zum
Ankoppeln an die Zentrumsdüse 2 als Befestigungsmutter ausgebildet sein kann . Die Zentrumsdüse 2 erfüllt somit eine Doppelfunktion, indem sie zum einen zusammen mit der Gasdüse 4 den Ringspalt 1 7 bildet und zum anderen als
Befestigungsmittel bei der Montage des Brennerkörpers 1 0 dient, um die
Zentrumsdüse 2 an dem Brennerkörper 1 0 zu befestigen . Bei dieser Befestigung wird die Gasdüse 4 über die Zentrumsdüse 2 gestülpt, bis ein Innengewinde 24 der Gasdüse 4 in ein Außengewinde 25 des Brennerkörpers 1 0 greift. Die Ringfläche 23 bildet einen Anschlag der Zentrumsdüse 2, gegen welchen die Gasdüse 4 beim Festschrauben der Düsen eine Kraft in Richtung Brennerkörper 1 0 ausübt.
Die Austrittsöffnung 7 der Zentrumsdüse 2 kann einen Durchmesser von etwa 1 3 bis 20 mm2, insbesondere etwa 1 6 mm2 aufweisen . Die Summe der Querschnitte der Nebenstromkanäle 5 der Gasdüse 4 kann etwa 1 8 bis 22 mm2, insbesondere etwa 20 mm2, betragen . Im vorl iegenden Beispiel sind beispielsweise acht
Nebenstromkanäle 5 vorgesehen, diese Anzahl kann jedoch variieren .
Um eine besonders vorteilhafte Schutzgasverteilung zu gewährleisten, kann das Verhältnis des Durchmessers der Austrittsöffnung 7 zur Summe der Querschnitte der Nebenstromkanäle 5 ähnlich sein, insbesondere etwa 4:5 betragen .
Figuren 5a bis 7 zeigen eine Fügevorrichtung 1 00 mit einem maschinengeführten Brenner 200, 200', beispielsweise mit einem oben beschriebenen Brennerkörper 1 0, zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen einer darin angeordneten nicht- abschmelzenden Elektrode 1 , insbesondere einer Wolfram-Elektrode, und dem Werkstück 1 1 .
Eine Brennerwechselvorrichtung 300 ist zum Austausch des Brenners 200 gegen einen neuen Brenner 200 ' vorgesehen . Dabei kann ein wechselbarer Brenner 200 eine Wechselschnittstelle aufweisen .
Ein taktiles Nahtführungssystem 900 weist einen Positionsaufnehmer 901 auf, welcher bewegbar bezüglich des Werkstücks 1 1 und beabstandet zu dem Brenner 200 angeordnet ist. Der Positionsaufnehmer 901 bestimmt die momentane Position eines am Vorderende des Positionsaufnehmers 901 angebrachten Messsensors, welcher sich entlang der Fügestelle der zu verbindenden Werkstücke 1 1 bewegt. Der Brenner 200 ist in einer Bewegung relativ gegenüber dem Positionsaufnehmer 901 in wenigstens eine Arbeitsstellung 500 zum thermischen Fügen des
Werkstückes 1 1 und eine Wechselstellung 400 zum Wechseln des
auszutauschenden Brenners 200 gegen einen neuen Brenner 200' bringbar.
Wie Figur 1 weiter zeigt, ist aufgrund der Baudimensionen der thermischen
Fügevorrichtung 1 00 ein distales Ende 903 des in der Regel nicht bewegl ich angeordneten Positionsaufnehmers 901 sehr nah, d . h . lediglich wenige Millimeter, am Vorderende 201 des Brenners 200 angeordnet. Aus d iesem Grund kann es bei einem Brennerwechsel zu einer Koll ision zwischen Brenner 200, 200' und
Positionsaufnehmer 901 kommen .
Der Positionsaufnehmer 901 kann eine Zuführvorrichtung 904 mit einer
Auslassöffnung 902 aufweisen, durch welche ein Zusatzwerkstoff 700 zum
Schweißen oder zum Löten bis unmittelbar in die Nähe des Brennerkopfs bringbar ist. Bei dem Zusatzwerkstoff 700 kann es sich beispielsweise um Schweißdraht oder Lotdraht handeln . Der Draht kann potentialfrei als Kaltdraht oder
potenzialbehaftet als Heißdraht zugeführt werden . Bei einem Brennerwechsel kann es daher auch zu Kollisionen zwischen Brenner 200, 200' und Zusatzwerkstoff 700 kommen, beispielsweise durch einen nicht vollständig zurückgezogenen Zusatzdraht. Diese Koll isionen könnten
Beschädigungen des Brenners 200 verursachen . Das taktile Nahtführungssystem 900 erfüllt somit eine Doppelfunktion . Zum einen weist es den Positionsaufnehmer 901 zur Bestimmung der jeweiligen Position des Brenners 200 bezügl ich der zu verschweißenden oder zu verlötenden Naht auf. Zum anderen sieht das taktile Nahtführungssystem 900 auch die Zuführvorrichtung 904 zur Führung des Zusatzwerkstoffes vor.
Figur 5a zeigt die Fügevorrichtung in einer Seitenansicht, Figur 5b in einer weiteren Seitenansicht. In der in beiden Figuren 5a und 5b dargestellten Arbeitsstellung 500 bewegt sich das taktile Nahtführungssystem 900 entlang einer zu schweißenden oder zu lötenden Naht. Im geringen Abstand oder gleicher Position hierzu bewegt sich der Brenner 200 und läuft dem Nahtführungssystem 900 nach, so dass dadurch eine vorgegebene Arbeitsrichtung des Brenners 200 definiert ist.
In der Wechselstellung 400 gemäß Figuren 6 und 7 wird der Abstand zwischen Brenner 200 und Nahtführungssystem 900, insbesondere entlang der
Arbeitsrichtung, vergrößert, indem der Brenner 200 entgegen der Arbeitsrichtung vom taktilen Nahtführungssystem 900 weg bewegt wird .
Sobald der Abstand zwischen Brenner 200 und taktilem Nahtführungssystem 900 vergrößert ist, kann der auszutauschende Brenner 200 entnommen und durch einen neuen Brenner 200 ' ersetzt werden . Figur 7 zeigt die Vorrichtung 1 00 mit entnommenen Brenner 200, 200'. Es können Mittel, beispielsweise Greifarme eines Roboters, vorgesehen sein, welche den verbrauchten Brenner 200' zum Wechseln von der Schweißenergie entkoppeln, insbesondere von den Leitungen für das Schutzgas, die elektrische Energie und das Kühlmittel . Sodann wird der Brenner 200' vom taktilen Nahtführungssystem 900 wegbewegt, beispielsweise in etwa parallel zur Längsrichtung des Brenners 200 in Richtung eines nicht dargestellten Wechslers, so dass er schließl ich ohne Kollision mit dem
Nahtführungssystem 900 entnommen werden kann .
Damit der gewünschte Abstand zwischen Brenner 200 und taktilen
Nahtführungssystem 900 realisiert werden kann , ist ein verfahrbarer Schlitten 600 zum Positionieren des am Schlitten 600 angekoppelten Brenners 200 für den Wechsel des auszutauschenden Brenners 200 gegen einen neuen Brenner 200' vorgesehen . Einen derartigen Brenner zeigen die Figuren 5a bis 7. Zur Vermeidung der Kollision zwischen Brenner 200 und Zuführvorrichtung 904 wird der Brenner 200 mittels Schlitten 600 in Richtung Wechsler und damit von der
Zuführvorrichtung 904 weg bewegt. Der Schlitten 600 ist notwendig, da die
Zuführvorrichtung 904 für den Zusatzwerkstoff 700 und der Messsensor des taktilen Nahtführungssystems 900 starr, d .h . nicht bewegbar bezüglich des
Brenners 200 angeordnet sind, so dass diese Zuführvorrichtung 904 im
Wechselvorgang des Brenners 200 hinderlich ist und aufgrund des sehr geringen Abstandes zum Brenner 200 Kollisionen und Beschädigungen des Brenners verursachen könnte.
Der Schlitten 600 kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betreiben werden .
Der Schlitten 600 weist eine Brennerhalterung 601 zum Halten des Brenners 200 und/oder eine Koppelvorrichtung Gas 602 zum Ankoppeln der Leitung für die Führung des Schutzgases durch den Brennerkörper 1 0 auf und/oder eine
Koppelvorrichtung 603 zum Ankoppeln der Leitungen für die Führung des
Kühlmittels und der Schweißenergie als sogenanntes Strom-Wasser-Kabel durch den Brennerkörper 1 0 auf. Die Brennerhaltung 601 gewährleistet ein einfaches Ent- und Verriegeln, damit der Wechsel des Brenners 200, 200' schnell und sicher real isiert werden kann .
Der Brenner 200 kann zwischen der Arbeitsstellung 500 und der Wechselstellung 400 und umgekehrt bewegt werden . Es wäre auch den kbar, dass der Brenner 200 ausschl ießlich zwischen diesen beiden Stellungen bewegt wird . Damit eine besonders hohe Genauigkeit der Schweiß- oder Lötprozesse erreicht werden kann , müssen die jeweiligen Stellungen des Brenners 200 durch die Steuerung präzise angefahren werden . Zur Vermeidung von Ungenauigkeiten kann der Brenner 200 zumindest in der Arbeitsstellung 500 und/oder der Wechselstellung 400 arretiert sein . Bezugszeichenliste
1 Elektrode
2 Zentrumsdüse
3 Frontdüse
4 Gasdüse
5 Nebenstromkanal
6 Kühlkörper
7 Innere Austrittsöffnung
8 Innerer Isolator
9 Distales Ende
1 0 Brennerkörper
1 1 Werkstück
1 2 Kühlkanäle
1 3 Gasaustritt
14 Hauptgasstrom
1 5 Nebengasstrom
1 6 Äußere Austrittsöffnung
1 7 Ringspalt
1 8 Vorderende Brennerkörper
19 Außenisolation
20 Längsachse Frontdüse
21 Zylinderförmiger Abschn itt Elektrode
22 Angespitztes Ende Elektrode
23 Ringfläche
24 Innengewinde Gasdüse
25 Außengewinde Brennerkörper
26 Kegelstumpfplateau Elektrode
1 00 Fügevorrichtung
200 Brenner
200' Brenner
201 Vorderende Brenner Brennerwechselvorrichtung
Wechselstellung
Arbeitsstellung
Schlitten
Brennerhalterung
Koppelvorrichtung Schutzgas
Koppelvorrichtung Kühlmittel und Schweißenergie
Zusatzwerkstoff
Taktiles Nahtführungssystem
Positionsaufnehmer
Auslassöffnung
Distales Ende
Zuführvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Brennerkörper (10) zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks
(1 1 ), insbesondere zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer im Brennerkörper (10) angeordneten nicht-abschmelzenden Elektrode (1 ), insbesondere einer Wolfram-Elektrode, zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode (1 ) und dem Werkstück (1 1 ), mit einer elektrisch potentialfreien Frontdüse (3) zum Ausströmen eines Schutzgasstromes aus einem Gasaustritt (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Frontdüse (3) eine Zentrumsdüse (2) und eine Gasdüse (4) aufweist und wobei die
Frontdüse (3) wenigstens einen Nebenstromkanal (5) zum Teilen des
Schutzgasstromes in einen Hauptgasstrom (14) und einen Nebengasstrom (1 5) aufweist, wobei der Nebengasstrom (15) den Hauptgasstrom (14) am Gasaustritt (13) ringförmig umgibt.
2. Brennerkörper (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nebenstromkanale (5) umfangseitig der Frontdüse (3), vorzugsweise in einem nach außen gerichteten Mündungswinkel von 10° bis 30° gegenüber der Längsachse (20) der Frontdüse (3) angeordnet sind.
3. Brennerkörper (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1 ) das dem Werkstück (1 1 ) zugewandte distale Ende (9) des Brennerkörpers (10) bildet oder etwa bündig mit diesem abschließt. 4. Brennerkörper (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontdüse (2) das dem Werkstück (1 1 ) zugewandte distale Ende (9) des Brennerkörpers (10) bildet und die Elektrode (1 ) gegenüber diesem Ende (9) zurücksteht, insbesondere um etwa 0,5 bis 1 ,5 mm. 5. Brennerkörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Elektrode (1 ) einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt (21 ) und/oder ein werkstückzugewandtes angespitztes Ende (22) mit oder ohne Kegelstumpfplateau (26) aufweist.
Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkörper (6) zum Kühlen des Brennerkörpers (1 vorgesehen ist, insbesondere dass der Kühlkörper (6) Kühlkanäle (1 2) zum Führen eines Kühlmittels aufweist.
7. Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontdüse (3) zweiteilig aufgebaut ist.
8. Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer elektrischer Isolator (8) die Frontdüse (3) gegenüber der Elektrode (1 ) elektrisch isol iert.
9. Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zentrumsdüse (2) und der Gasdüse (4) ein Ringspalt (1 7) zur Vergleichmäßigung und Führung des Nebengasstroms (1 5) ausgebildet ist.
1 0. Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrumsdüse (2) die Nebenstromkanäle (5) aufweist.
Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdüse (4) die Zentrumsdüse (2) am Ende der Austrittsöffnung (1 6) der Nebenstromkanäle (5) zur Bildung des Ringspaltes (1 7) über den Umfang wenigstens teilweise überlappt.
Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrumsdüse (2) eine Austrittsöffnung (7) mit einem Querschnitt von etwa 5 bis 22 mm2, insbesondere etwa 1 2,5 bis 1 5,9 mm2 aufweist, wobei der Querschnitt der Austrittsöffnung (7) kleiner oder gleich dem Querschnitt der Elektrode (1 ) im Bereich des zyl indrischen
Abschnitts (21 ) der Elektrode (1 ) ist. 1 3. Brennerkörper (1 0) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Summe der Querschn itte der Nebenstromkanale (5) der Zentrumsdüse (2) etwa 1 2 bis 22 mm2, insbesondere etwa 20 mm2, beträgt. 14. Brennerkörper (1 0) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Querschnitts der Austrittsöffnung (7) zur Summe der Querschnitte der Nebenstromkanäle (5) ähnl ich ist,
vorzugsweise etwa 4:5. 1 5. Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gasdüse (4) zum Ankoppeln an die Zentrumsdüse (2) als Befestigungsmutter ausgebildet ist.
1 6. Brenner mit einem Brennerkörper (1 0) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche.
1 7. Verfahren zum thermischen Fügen von wenigstens einem Werkstück (1 1 ), insbesondere zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einer nicht-abschmelzenden Elektrode (1 ) zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen der Elektrode (1 ) und dem Werkstück (1 1 ), mit einem
Schutzgasstrom, welcher aus einer potentialfreien Frontdüse (3) ausströmt, wobei der Schutzgasstrom in einen die Elektrode (1 ) direkt umgebenden Hauptgasstrom (14) und einen am Vorderende (1 8) des Brennerkörpers (1 0) austretenden Nebengasstrom (1 5) aufgespalten wird, wobei der
Nebengasstrom (1 5) den Hauptgasstrom (14) am Gasaustritt (1 3) ringförmig umgibt. Fügevorrichtung (100) zum thermischen Fügen wenigstens eines Werkstücks (1 1 ), insbesondere zum Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, mit einem maschinengeführten Brenner (200) zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen einer darin angeordneten nicht-abschmelzenden Elektrode (1 ), insbesondere einer Wolfram-Elektrode, und dem Werkstück (1 1 ),
vorzugsweise mit einem Brennerkörper (10) nach Anspruch 1 , und mit einer Brennerwechselvorrichtung (300) zum Austausch des Brenners (200) gegen einen neuen Brenner (200') und mit einem taktilen Nahtführungssystem (900), mit einem Positionsaufnehmer (901 ), welcher bezüglich des Werkstücks (1 1 ) bewegbar und zu dem Brenner (200) beabstandet angeordnet ist, wobei der Brenner (200) an das taktile Nahtführungssystem (900) gekoppelt ist und der Brenner (200) in einer Bewegung relativ gegenüber dem Positionsaufnehmer (901 ) in wenigstens eine Arbeitsstellung (500) zum thermischen Fügen des Werkstücks (1 1 ) und eine Wechselstellung (400) zum Wechseln des Brenners (200) gegen einen neuen Brenner (200') bringbar ist.
Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein verfahrbarer Schlitten (600) zum Positionieren des am Schlitten (600) angekoppelten Brenners (200) für einen Wechsel des Brenners (200) gegen einen neuen Brenner (200') vorgesehen ist.
20. Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (600) elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben ist. 21 . Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (600) eine Brennerhalterung (601 ) zum Halten des
Brenners (200) und/oder eine Koppelvorrichtung (602) zum Zuführen des Schutzgases und/oder eine Koppelvorrichtung (603) zum Zuführen des
Kühlmittels und der Schweißenergie aufweist.
22. Fügevorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (200) wenigstens in der Arbeitsstellung (500) arretiert ist. 23. Fügevorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Brenner (200) ausschließlich zwischen der
Arbeitsstellung (500) und der Wechselstellung (400) und umgekehrt bewegbar ist. 24. Fügevorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Nahtführungssystem (900) eine, insbesondere an dem Positionsaufnehmer (901 ) angeordnete Auslassöffnung (902) aufweist, durch welche ein Zusatzwerkstoff (700), insbesondere ein Kaltdraht oder ein Heißdraht, zum Lichtbogenlöten oder Lichtbogenschweißen und/oder zusätzliches Schutzgas ausgebbar ist.
25. Fügevorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein distales Ende (903) des Nahtführungssystems (900) unmittelbar in der Nähe des Vorderendes (201 ) des Brenners (200)
angeordnet ist.
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