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Verfahren zur Erhöhung der Düsenstandzeit bei Lichtbogen-Plasmabrennern hoher Leistungsdichte und Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Düsenstandzeit bei Lichtbogen-Plasmabrennern hoher Leistungsdichte und zur Ausführung dieses Verfahrens dienende Anordnungen.
Beim Betrieb von Lichtbogen-Plasmabrennern mit einem Gasgemisch hat die Erfahrung gezeigt, dass beim Einsetzen des Hauptlichtbogens die Düse einer wesentlich grösseren Belastung ausgesetzt ist als im Betriebszustand. Diese Überlastung führt zu einem starken Verschleiss der Düse und damit zu entsprechend geringen Standzeiten.
Bei den bekannten Schaltungen eines werkstückgepolten Lichtbogen-Plasmabrenners erhält, nachdem die Strecke Kathode-Anode durch den Hilfslichtbogen (oft auch als Pilotbogen bezeichnet) ionisiert wurde, der Hauptlichtbogen bei Annäherung des Plasmabrenners an das Werkstück sofort die volle Leistung. Der Hauptlichtbogenstrom fliesst vom Minuspol einer Gleichstromquelle, z. B. eines Umformers, über ein Stromrelais und die Kathode durch die Einschnürungsdüse zum Werkstück, welches die Anode darstellt und zurück zum Pluspol der Stromquelle.
Durch das Einsetzen des Hauptlichtbogens wird das Stromrelais erregt und steuert über seinen Kontakt- satz das im Steuergerät angeordnete Magnetventil für das Zusatzgas, z. B. Wasserstoff. Bedingt durch die LaufzeitinderSchlauchleitung zwischen dem Magnetventil und dem Entladungsraum sowie die Ansprechzeiten des Stromrelais und des Magnetventils trifft das Zusatzgas mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber dem Einsetzen des Hauptlichtbogens im Entladungsraum des Plasmabrenners ein. Durch das sofortige Einsetzen der vollen Leistung und das verzögerte Eintreffen des Zusatzgases treten besonders bei Brennern höherer Leistungsdichte Überschläge zwischen Düse und Werkstück auf.
Es brennt dann ein sogenannter Doppellichtbogen, d. h. nur ein Teil des Lichtbogens brennt wie gewünscht zwischen der Kathode und dem Werkstück, der andere Teil zwischen Kathode und Düse und weiter von der Düse zum Werkstück. Dabei kann bei ungünstigen Bedingungen der letztgenannte Weg des Lichtbogens den gesamten Strom übernehmen, was zu einer sofortigen Zerstörung der Düse führt. Diese Bedingungen sind vor allem dann gegeben, wenn sich z. B. zum Herausschneiden von Formstücken der Plasmabrenner bereits bei der Zündung des Hilfslichtbogens über dem Werkstück befinden muss und dadurch der Hauptlichtbogen sofort mit einsetzt.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Betriebsverfahren für werkstückgepolte Plasmabrenner besteht darin, dass während der gesamten Betriebszeit des Hauptlichtbogens der Hilfslichtbogen nicht ausgeschaltet wird, was eine weitere Belastung der Düse bedeutet und die Neigung zur Bildung eines Doppellichtbogens erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein teilweises oder vollständiges Brennen des Lichtbogens über die Düse des Plasmabrenners zu verhindern und damit die Düsenstandzeit zu erhöhen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss der Hauptlichtbogen mit verminderter Leistung eingeleitet und erst später, worzugsweise zum Zeitpunkt des Eintreffens des Zusatzgases im Entladungsraum, auf volle Leistung gebracht wird.
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Wird für den Betrieb eines Plasmabrenners hoher Leistung (beispielsweise zirka 400 kW) eine Gleichstromquelle verwendet, die nicht regelbar ist, z. B. ein nicht steuerbarer Gleichrichter, so lässt sich der Übergang von verminderter zu voller Leistung durch in den Hauptstromkreis eingeschaltete Umformer oder Generatoren erreichen, die in bekannter Art und Weise durch Steuerung des Erregerstromes in ihrer Leistung regelbar sind.
Nach Einsetzen des Hauptlichtbogens wird gemäss der Erfindung der Hilfslichtbogen bei werkstücke- polten Plasmabrennern abgeschaltet. Diese Massnahme setzt die Belastung der Düse um ein weiteres herab.
Das Magnetventil, welches das Zusatzgas freigibt, ist erfindungsgemäss nahe am oder im Plasmabrenner angeordnet. Die Erfindung eignet sich sowohl für werkstückgepolte wie auch für düsengepolte Plasmabrenner.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden.
Gemäss der Erfindung wird die Gleichstromquelle, die den Hauptlichtbogen speist, während der Zeit, da dieser noch kein Zusatzgas erhält, derart gedrosselt, dass der Hauptlichtbogen nur eine solche Leistung besitzt, bei der Überschläge mit Sicherheit noch nicht auftreten können, aber noch eine derart grosse Lei-
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oder Generatorbetrieb vorzugsweise in den Erregerstromkreis des Umformers bzw. Generators ein Vorwiderstand eingeschaltet ist.
Nachdem in bekannter Art und Weise der Hauptlichtbogen eingeleitet ist, der jedoch durch die vorstehend angeführten Massnahmen eine verminderte Leistung besitzt, wird durch ein Stromrelais, dessen Wicklung vom Hauptlichtbogenstrom durchflossen ist, das Magnetventil für die Zuschaltung des Zusatzgases betätigt. Gleichzeitig wird ebenfalls durch dieses Relais und mittels anderer bekannter Bauteile, wie Schaltschütze usw., der Vorwiderstand im Erregerstromkreis des'Umformers bzw. Generators überbrückt.
Da bei Umformern oder Generatoren der Aufbau des Erregerfeldes zeitabhängig ist, ergibt sich ein Übergang von reduzierter zu voller Leistung, der nicht stossartig, sondern proportional dem Anstieg der Erregerfeldstärke erfolgt. Dadurch wirdbewirkt, dass das Zusatzgas bereits vor Erreichen der vollen Leistung vorhanden ist.
Bei Betrieb von Plasmabrennern mit nicht steuerbarem Gleichrichter wird der Übergang von verminderter zu voller Leistung durch einen oder mehrere in den Hauptstromkreis eingeschaltete Widerstände erreicht, die von dem Stromrelais in Verbindung mit einem oder mehreren Zeitverzögerungsgliedern, gesteuert durch Schütze, überbrückt werden. Bei höheren Leistungen ist es aus Gründen der Ökonomie, bedingt durch die höheren Stromstärken, zweckmässig, an Stelle der Widerstände einen oder mehrere Umformer in den Hauptstromkreis einzuschalten, deren Erregung wie bei reinem Umformerbetrieb gesteuert wird.
Um die Laufzeit des Zusatzgases in den Schlauchleitungen zu verringern, wird die Gassteuereinrich- tung für das Zusatzgas, z. B. das bereits genannte Magnetventil, in Brennernähe oder direkt am Brenner anbzw. im Brenner eingebaut.
Vorteilhafterweise kann beispielsweise ebenfalls durch das Stromrelais gesteuert, der Hilfslichtbogen bei werkstückgepolten Plasmabrennern abgeschaltet werden, wodurch die Düse vollkommen stromlos wird, was eine weitere Erhöhung der Düsenstandzeit ergibt.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die entsprechende Anordnung sind mit demselben Erfolg auch bei düsengepolten Plasmabrennern anwendbar.
Die Betriebsweise gemäss der Erfindung erfordert für den Bedienenden keine zusätzlichen Schalthandlungen gegenüber den herkömmlichen Verfahren.
Mit der Erfindung wurden bei hohen Lichtbogenleistungen der Grössenordnung von 100 kW nach einigen hundert Anschnitten keinerlei sichtbare Abnutzungserscheinungen an der Düse festgestellt. Auch die Kathode wird wesentlich geschont. Dies trifft auch für den Fall zu, dass der Brenner schon beim Zünden des Hilfslichtbogens zum Herausschneiden z. B. von Formteilen, über oder am Werkstück stehen muss und der Hauptlichtbogen sofort mit einsetzt. Der Durchmesser der dabei notwendigen Anschneidbohrung im Werkstück braucht nur etwa gleich der Breite der Schneidfuge zu sein, die z. B. bei einer Materialdicke von 100 mm und einer Lichtbogenleistung von 100 kW zirka 10 mm beträgt.
Durch die Erfindung wird der Einsatz von Lichtbogen-Plasmabrennern hoher Leistungsdichte. mit grosser Wirtschaftlichkeit möglich, insbesondere in automatischen Schneidanlagen usw. mit grosser Betriebssicherheit, vor allem dann, wenn häufig angeschnitten wird. Dies ist deswegen besonders wichtig, weil Lichtbogen-Plasmabrennerhoher Leistungsdichte einen grösseren Wirkungsgrad besitzen als solche kleiner Leistungsdichte.