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Vorrichtung zur Lichtbogenbearbeitung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lichtbogenbearbeitung, wobei ein Lichtbogeneffluent gegen das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird. Zu derartigen Verfahren gehören beispielsweise das Brennschneiden, Schweissen und Flämmen.
Bei den bekannten Vorrichtungen zur Lichtbogenbearbeitung mit einem Lichtbogeneffluenten wird zwischen einer Stabelektrode, die in einer Düse mit einer verengten Austrittsöffnung montiert ist, und einem Werkstück ein Lichtbogen hergestellt. In die Düse wird ein Gasstrom eingeleitet, der zusammen mit dem Lichtbogen aus der verengten Austrittsöffnung austritt und mit dem Lichtbogen ein Lichtbogenplasma von hoher Richtungsstabilität bildet. Dieses Lichtbogenplasma wird gegen das Werkstück gerichtet. Die Wirksamkeit der Lichtbogenbearbeitung wird bestimmt durch die Qualität der Schnittfläche oder der Schweisse und durch die Geschwindigkeit, mit welcher der Vorgang durchgeführt wird.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Lichtbogenbearbeitung, mit der die Qualität und die Geschwindigkeit, mit welcher das Material bearbeitet werden kann, beträchtlich gesteigert wird. Insbesondere bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Vorrichtung zur Lichtbogenbearbeitung, die beträchtlich höhere Schnittgeschwindigkeiten und Schnittqualitäten ermöglicht.
Dies wird bei einer Vorrichtung zur Lichtbogenbearbeitung, wobei ein Lichtbogeneffluent gegen das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird, mit einer Stabelektrode, die in einer Gasdüse montiert und deren Ende im Bereich des Einganges eines verengten Austrittskanals der Düse angeordnet ist, durch welchen Austrittskanal ein Gasstrom und ein zwischen der Stabelektrode und dem Werkstück gebildeter elektrischer Lichtbogen geführt sind, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Düse mehrere ringförmig angeordnete Gaskanäle aufweist,. die um den verengten Austrittskanal herum angeordnet sind und mit dem Gasraum in der Düse in Verbindung stehen.
Zweckmässigerweise weist die Gasdüse eine ringförmige Gaskammer auf, die mit einem Gaszuführungsanschluss in Verbindung steht und die mit dem Ringraum zwischen der Stabelektrode und der Innenwand der Düse über einen oder mehrere tangential in den Ringraum hineinführende Kanäle in Verbindung steht.
Die besonderen Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung werden somit vor allem dadurch erzielt, dass das aus dem zentral angeordneten Kanal der Gasführungsdüse austretende Lichtbogenplasma von einer Gasströmung umgeben ist, die aus den den zentralen Austrittskanal ringförmig umgebenden Gaskanälen austritt. Die Gründe für die durch die erfindungsgemässen Massnahmen erzielte, bemerkenswerte und unerwartete Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit und Verbesserung der Qualität des Fertigproduktes sind noch nicht vollständig erkannt worden. Man nimmt jedoch an, dass die zusätzliche Gasströmung das Effluentenplasma formt oder begrenzt oder dessen Säulenwirkung fortsetzt oder eine Scherfläche bildet, welche die Umgebungsatmosphäre durchschneidet und den Durchtritt des Effluentenplasmas durch die Umgebungsatmosphäre erleichtert.
Eine derartige Verbesserung ist besonders bei Schneidarbeiten erwünscht, in denen ein guter Schnitt normal zur Fläche des Werkstückes mit oberen und unteren Kanten von 900 erzielt werden soll, ohne dass an dem unteren Rand eine bleibende Schlacke vorhanden ist. Es hat sich gezeigt, dass durch die Schaffung einer Anzahl von kleinen durchgehenden Löchern in der Düse, welche die Lichtbogen-Austrittsöffnung umgibt, und durch die Abgabe eines Gases durch diese Löcher, ein Schnitt von besserer Qualität bei mehr als dem Doppelten der Schnittgeschwindigkeit erzielt wird, die mit einer einzigen Austrittsöffnung ohne darum herum angeordnete Löcher möglich ist.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 in einem vertikalen Axialschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Plasmalichtbogenbrenners gemäss der Erfindung, Fig. 2 den Brenner nach Fig. 1 von unten gesehen und Fig. 3 einen Vertikalschnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2.
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Der Brenner besteht aus einem Körper B aus Isoliermaterial, beispielsweise Nylon, mit einer zentralen Bohrung, in der eine Elektrode E angeordnet ist. An die Elektrode E und das Werkstück W ist eine Stromquelle S angeschlossen.
In der dargestellten Vorrichtung weist die Elektrode E ein vorzugsweise aus Messing bestehendes Elektrodenrohr 12 auf, das im oberen Ende der Bohrung des Brennerkörpers B sitzt und am unteren Ende mit einem Elektrodenstöpsel 14 verschlossen ist, der vorzugsweise aus wärmeleitendem Metall, beispiels-
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Der Elektrodenstöpsel 14 ist in der Mitte seines untersten Teils mit einer Zündspitze 20 versehen, die vorzugsweise aus einem sich nicht verbrauchenden Material wie Zirkon, Wolfram, Zirkonoxyd oder Thoriumoxyd besteht.
Mit einer vorzugsweise aus Messing bestehenden Überwurf mutter 24 ist an dem Körper B eine Gasführungsdüse 22 befestigt, die vorzugsweise aus wärmeleitfähigem Metall, wie Kupfer, besteht.
Zwischen dem Elektrodenstöpsel 14 und dem Innern der Düse befindet sich eine ringförmige Gaskammer 26. Durch eine Eintrittsöffnung 28 wird Gas einem Ringkanal 30 zugeführt, der zwischen dem Körper 10 und der Überwurfmutter 24 ausgebildet ist und aus dem das Gas in die Kammer 26 durch den dazu tangentialen Eintrittskanal 32 tangential eingeführt wird.
Das untere Ende des Stöpsels 14 und die Innenseite der Düse 22 haben im Abstand voneinander angeordnete Flächen, die eine Lichtbogenkammer in Form eines konischen Kanals 34 bilden, der zu einem zentralen verengten Kanal 36 führt. Zur Kühlung ist zwischen der Aussenseite der Düse 22 und der Innenseite der Überwurfmutter 24 ein Ringraum 38 vorgesehen.
Das untere Ende der Düse ist mit mehreren Löchern 40 versehen, welche im wesentlichen um den verengten zentralen Kanal 36 herum angeordnet sind.
Die im Detail in Fig. 2 und 3 gezeigte Düse hat einen Topf mit einer zylindrischen Seitenwand, die eine zentrale Fassung 42 begrenzt, sowie einen Boden mit konischer Innenfläche 44. In der Seitenwand ist eine Ringnut 46 ausgebildet, die den ringförmigen Kühlwasserraum 38 zwischen dem oberen und dem unteren Flansch 48 bzw. 50 bildet. Diese Flansche sind abgeschrägt, um Sitze für hitzebeständiges Dichtungsmaterial, beispielsweise für Dichtungsringe 52 aus Silikon zu bilden. Die Löcher 40 werden vorzugsweise von aussen aufwärts durch die konische Bodenfläche 44 gebohrt. Vorzugsweise sind 8-16 dieser Löcher vorhanden, die vorzugsweise in gleichen Abständen von der verengten Austrittsöffnung 36 angeordnet und wesentlich kleiner sind als diese.
Die Löcher 40 sind vorzugsweise so nahe beieinander angeordnet, dass sich die aus ihnen austretenden Gasstrahlen zu einem im wesentlichen ringförmigen Gasstrom vereinigen, der das Effluentenplasma umgibt, das aus dem verengten Kanal 36 austritt.
Im Betrieb ist das der Eintrittsöffnung 28, dem ringförmigen Gaskanal 30 und der ringförmigen Gaskammer 26 zugeführte Gas vorzugsweise ein reaktionsfähiges Gas, beispielsweise Sauerstoff, ein Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff, Luft, Kohlendioxyd oder Kohlenmonoxyd, besonders zum Brennschneiden.
Zum Schweissen werden Argon und Helium bevorzugt.
Der Lichtbogen wird durch das in dem verengten Kanal 36 befindliche Gas hindurch zwischen der Elektrodenspitze 20 und dem Werkstück W gezündet. Der Kanal 36 bewirkt eine Begrenzung und Stabilisierung des Lichtbogens, und der so erhaltene Lichtbogen, der eine hohe Geschwindigkeit besitzt, führt zur Bildung eines Effluentenplasmas, das auf das Werkstück einwirkt.
Infolge der Verwendung des die zentrale Austrittsöffnung 36 umgebenden Kranzes von kleinen Löchern 40 erhält man einen Schnitt von geringer Schräge und ohne Schlacke. Kohlenstoffstahl von 25, 4 mm wurde mit 75 cm/min, 100 V und 200 A bei Zufuhr von Sauerstoff in einer Menge von 5, 89 m3fh geschnitten.
Bei dieser Leistungsaufnahme war der Angriff des Elektrodeneinsatzes, der einen Durchmesser von 4, 6 mm hatte, vernachlässigbar klein. Wenn der Brenner mit 380 A, 130 V und 14, 0 m3fh Sauerstoff betrieben wurde, erfolgte bei einer Geschwindigkeit von 200 cm/min keine Beeinträchtigung der Schnittqualität, doch war die Lebensdauer des Einsatzes wahrscheinlich kleiner. Bei Kohlenstoffstahl von 12, 7 mm wurden bei 275 A Schnitte guter Qualität mit einer Geschwindigkeit von 200 cm/min erhalten, während Trennschnitte bei einer Geschwindigkeit von 300 cm/min mit einer beträchtlichen Abschrägung erzielt wurden.
In rostfreiem Stahl von 12, 7 mm wurden mehrere Schnitte durchgeführt. Bei einer Geschwindigkeit von 200 cm/min wurden Schnitte hoher Qualität mit rechtwinkligen Kanten erhalten, jedoch mit rauhen Schnittflächen.
Für die Prüfungen wurde eine bevorzugte Form der Düse mit mehreren Austrittsöffnungen verwendet.
Der verengte zentrale Düsenkanal hatte eine Länge von 6, 3 cm und einen Durchmesser von 3, 1 mm und war von zehn Löchern mit einem Durchmesser von 0, 89 mm umgeben, die auf einem Teilkreis von 9, 3 mm Durchmesser angeordnet waren.
Bei Schneidversuchen mit einem Plasmabrenner mit einer Zirkoneinsatzkathode und einer Düse mit mehreren Gasaustrittsöffnungen wurden bei 25, 4 nun starkem Material folgende optimale Bedingungen ermittelt :
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<tb>
<tb> Metall
<tb> Kohlenstoff- <SEP> Kohlenstoffstahl <SEP> stahl <SEP> stahl <SEP> rostfreier <SEP> Stahl <SEP> rostfreier <SEP> Stahl <SEP> Aluminium
<tb> Lichtbogengas.................... <SEP> 0 <SEP> 02 <SEP> N2 <SEP> O2 <SEP> O2 <SEP>
<tb> H2
<tb> Gasmenge, <SEP> m2/h <SEP> .................
<SEP> 8,4 <SEP> 14,0 <SEP> 8,4N2 <SEP> 8,4 <SEP> 8,4
<tb> 2, <SEP> 8 <SEP> H2 <SEP>
<tb> Geschwindigkeit <SEP> cmftnin <SEP> 100 <SEP> 200 <SEP> 150 <SEP> 150 <SEP> 175
<tb> Stromstärke, <SEP> A <SEP> 230 <SEP> 380 <SEP> 330 <SEP> 330 <SEP> 330
<tb> Spannung, <SEP> V <SEP> 130 <SEP> 130 <SEP> 160 <SEP> 130 <SEP> 130
<tb> Kammerdruck, <SEP> kg/cm2 <SEP> .......... <SEP> 1,4 <SEP> 2,1 <SEP> 1,9 <SEP> 2,1 <SEP> 1,7
<tb> Bemerkungen <SEP> a) <SEP> a) <SEP> b) <SEP> c) <SEP> d)
<tb> a) <SEP> Sehr <SEP> guter <SEP> Schnitt.
<tb> b) <SEP> Sehr <SEP> guter <SEP> Schnitt, <SEP> bis <SEP> auf <SEP> geringe <SEP> Schlackenbildung.
<tb> c) <SEP> Guter <SEP> Schnitt, <SEP> bis <SEP> auf <SEP> rauhe <SEP> Oberfläche.
<tb> d) <SEP> Guter <SEP> Schnitt.
<tb>
In den vorstehend beschriebenen Versuchen wurde das Lichtbogengas tangential mit Schallgeschwindigkeit eingeleitet. Zum Vergleich durchgeführte Versuche mit radialer Gaszuführung führten zu einer herabgesetzten Schnittgeschwindigkeit, Schnitten geringerer Qualität und einer stärkeren Erosion des Zirkoneinsatzes.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Lichtbogenbearbeitung, wobei ein Lichtbogeneffluent gegen das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird, mit einer Stabelektrode, die in einer Gasdüse montiert und deren Ende im Bereich des Einganges eines verengten Austrittskanals der Düse angeordnet ist, durch welchen Austrittskanal ein Gasstrom und ein zwischen der Stabelektrode und dem Werkstück gebildeter elektrischer Lichtbogen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (22) mehrere ringförmig angeordnete Gaskanäle (40) aufweist, die um den verengten Austrittskanal (36) herum angeordnet sind und mit dem Gasraum (26, 34) in der Düse (22) in Verbindung stehen.