AT404913B - Elektrode für einen brenner zum plasmaschneiden und brenner, der diese elektrode verwendet - Google Patents

Description

AT 404 913 B

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen Brenner zum Plasmaschneiden mittels eines ionisierbaren Gases mit einem im wesentlichen zylindrischen Elektrodenkörper, der vom gleichen ionisierbaren Gas abgekühlt wird.

Aus der Literatur bekannte Brenner zum Plasmaschneiden werden mit Wasser oder einem Wasser-Luftgemisch gekühlt. Derartige Brenner sind aus den folgenden Druckschriften bekannt: US 3 118 046 A, US 3 131 288 A, US 3 463 957 A, US 4 311 897 A und DE-1 940 040 A. Bei den dort beschriebenen Vorrichtungen ist es notwendig, das Kühlwasser mittels spezieller Leitungen zu- und auch wieder abzuführen, woraus notwendigerweise relativ großvolumige und klobige Brennerkonstruktionen folgen. Bei der US 3 131 288 A tritt der Kühleffekt durch das Verdampfen des Wassergehaltes des zugeführten Luft-Wassergemisches auf, was wiederum eine genaue Regelung dieses Gemisches notwendig macht und darüberhinaus den Nachteil der Wasserdampfbildung in der Umgebung des Brenners zur Folge hat.

Alternativ zur Wasserkühlung wird das ionisierbare Gas selbst zur Kühlung verwendet, worauf weiter unten eingegangen wird.

Man weiß, daß Plasmabrenner zum Schneiden von Metallen verwendet werden und daß sie zu diesem Zweck einen Plasmastrahl verwenden, der aus einem Gas besteht, daß beim Durchgang durch ein elektromagnetisches Feld ionisiert worden ist.

In ihrer Standardausführung bestehen Plasmabrenner aus einer Elektrode, der eine Kappe, die mit einer Düse versehen ist, gegenübersteht. Zwischen der Elektrode und der Kappe wird eine Ionisationskammer definiert, in die das zu ionisierende Gas strömt und in der zwischen der Elektrode und der Kappe durch ein Hochfrequenzsystem oder ein Kontaktsystem ein Lichtbogen erzeugt wird, der das Gas ionisiert und dadurch das Ausströmen des Plasmastrahles durch die Düse bewirkt.

Im Hinblick auf die große Wärme, die beim Schneiden frei wird, ist es unerläßlich, daß der Brenner, insbesonders die Elektrode und die Kappe, wirksam gekühlt wird, da dies für eine gute Ausbeute des Brenners und vor allem seine Lebensdauer wichtig ist.

Zum Kühlen verwendet man im allgemeinen das gleiche ionisierbare Gas, das, bevor es in die Ionisationskammer gebracht wird, in eine sinusförmige Strömung durchs Innere ringförmiger Kammern versetzt wird, die im Brenner so ausgebildet sind, daß sie die ihn bildenden Teile durchströmen und die Wärme abführen.

Das ionisierbare Gas, das in der Mehrzahl der Fälle Luft ist, wird zu diesem Zweck Zuführungsleitungen entnommen und der Ionisationskammer durch eine Serie von ringförmigen Kammern zugeführt, die durch verschiedene miteinander verbundene Elemente, die den Brenner selbst bilden, definiert werden.

Dieses Kühlsystem weist einige Unzulänglichkeiten auf.

Eine erste Unzulänglichkeit ist die Tatsache, daß die Abkühlung, die durch das ionisierbare Gas auf der Elektrode wie auf der Kappe beim Vorbeistreichen bewirkt wird, wenn es die Ionisationskammer durchquert, bevor es durch die Düse in Form von Plasma ausströmt, sehr gering ist, was konsequenterweise die Lebensdauer der Elektrode und der Kappe, mit der die Elektrode verbunden ist, begrenzt.

Eine weitere Unzulänglichkeit wird durch die Tatsache gebildet, daß die Kühlung des Brenners nur wenig wirksam ist.

Es bilden sich entlang der sinusförmigen Bewegungsbahn des ionisierbaren Gases durch die ringförmigen Kammern des Brenners Punkte aus, an denen die Bewegung sehr gering ist und in denen sich Taschen heißer Luft ausbilden, die das Überhitzen des Brenners an diesen Stellen bewirken.

Es ist klar, daß dies zu einer Kühlung führt, deren Wirksamkeit verringert ist, und daß aus diesem Grund der Brenner auf einer erhöhten mittleren Temperatur arbeitet, mit den Problemen, die daraus sowohl für die Leistung, wie auch für die Lebensdauer selbst, resultieren.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Unzulänglichkeiten zu eliminieren oder zumindest zu verringern und eine Elektrode für einen Brenner zum Plasmaschneiden und einen Brenner, der eine solche Elektrode verwendet, zu schaffen, die mit einem wirksameren Kühlsystem ausgestattet sind, als es die vorbekannten Kühlsysteme bei den Plasmaschneidbrennern sind.

Dieses Ziel wird dank der Ausbildung einer Elektrode für einen Brenner zum Plasmaschneiden erreicht, die einen im wesentlichen zylindrischen Körper aufweist, der im Bereich eines Endes geschlossen ist und in Übereinstimmung mit dem Hauptanspruch dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine zentrale Kammer aufweist, die mit einem oder mehreren Löchern, die durch den Körper selbst gehen, in Verbindung steht.

Der Brenner zum Plasmaschneiden, der eine vorstehend beschriebene Elektrode verwendet, umfaßt: - einen zentralen Kragen, der mit einer Seite des Brennerkörpers durch einen isolierenden Körper verbunden ist und am anderen Ende mit der Elektrode gekuppelt ist; - eine Kappe mit einer Düse, die frontal vor der Elektrode angeordnet ist, von der sie durch ein isolierendes Zwischenelement, das mit dem zentralen Kragen verbunden ist, getrennt ist; 2

AT 404 913 B - einen rohrförmigen Leiter, der so angeordnet ist, daß er durch den Körper des Brenners führt und einerseits mit einer externen Versorgungsquelle für ein unter Druck stehendes ionisierbares Gas steht; - eine Ionisationskammer, die zwischen der Kappe und der Elektrode liegt.

Dieser Brenner ist durch die Tatsache gekennzeichnet, daß der im Inneren des Brennerkörpers liegende rohrförmige Leiter, korrespondierend mit dem zentralen Kragen eine Sammelkammer im zentralen Kragen bildet, und mit ihr verbunden ist, wobei die Sammelkammer mit der zentralen Kammer der Elektrode, in die das ionisierbare Gas, das durch den rohrförmigen Leiter geleitet wird, eingeführt wird, in Verbindung steht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die in der Elektrode vorgesehenen Löcher Achsen auf, die im Querschnitt im wesentlichen tangential zur in der Elektrode vorgesehenen zentralen Kühlkammer verlaufen, um so die Luft entlang einer spiralartigen Bahn in die Ionisationskammer zu leiten, wo sie zur Düse absinkt.

Die Verbesserung der Kühlung wird an erster Stelle durch den bestmöglichen Wärmetausch bewirkt, der dadurch erreicht wird, daß die Elektrode direkt im Strom des ionisierbaren Gases, in diesem Fall der Luft, liegt, bevor es in die Ionisationskammer gelangt, statt den Strom außen zu führen, wie es bei den vorbekannten Ausführungen geschieht. Man ersetzt so die Kühlung durch Konvektion und Strahlung durch eine direkte Kühlung durch Leitung.

Darüberhinaus weist das Innenprofil der Kappe keinen im wesentlichen gekrümmten und parallel zum Elektrodenprofil verlaufenden Verlauf auf, wie dies bei den bekannten Ausführungen der Fall ist. Man bildet statt dessen im Inneren der Ionisationskammer Querschnittsänderungen aus, die in der Folge die Kompressionen und Expansionen des ionisierbaren Gases bewirken, was das Abkühlen des Brenners begünstigt.

Die Erfindung weist somit eine Reihe von Vorteilen, nämlich die folgenden, auf: - wesentlich verlängerte Lebensdauer des gesamten Brenners ebenso, wie insbesonders der Elektrode und der Kappe; - Verbesserung des Wirkungsgrades des Brenners; - Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit; - Reduktion der notwendigen Spannung beim Schneiden im Vergleich zu bekannten Brennern beim Schneiden gleich dicker Stücke.

Die Ziele und Vorteile werden an Hand der folgenden Beschreibung, die auf die beiliegenden Zeichnung bezug nimmt, an Hand eines Ausführungsbeispieles, auf das die Erfindung nicht beschränkt ist, näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt: - die Fig. 1 eine erfindungsgemäße Elektrode im Längsschnitt; - die Fig. 2 den Endteil eines Brenners, der eine erfindungsgemäße Elektrode verwendet; - die Fig. 3 die Elektrode der Fig. 1 entlang des Schnittes l-l in Draufsicht; - die Fig. 4 die Verbindung zwischen der Elektrode und der Kappe des Brenners der Fig. 2 im Detail.

Wie man aus Fig. 1 entnehmen kann, wird die erfindungsgemäße Elektrode, die in Fig. 1 dargestellt ist, in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet und wird bei einem Brenner verwendet, der in Fig. 2 dargestellt ist und mit seiner Gesamtheit mit 2 bezeichnet wird.

Am Brenner 2 wird vor der Elektrode 1 eine Kappe 3 angebracht, die eine Ionisationskammer 4 begrenzt, in der die Ionisation eines komprimierten ionisierbaren Gases 7, bevorzugt Luft, das durch einen rohrförmigen Leiter 5 der durch den Körper des Brenners 6 läuft und elektrisch mit einem (in der Zeichnung nicht dargestellten) Stromgenerator verbunden ist, sowohl für die Herstellung des Schneidplasmas 8 wie für das Kühlen des Brenners verwendet wird, durchgeführt.

Wie man insbesonders in Fig. 1 sieht, weist die Elektrode 1 einen im wesentlichen zylindrischen Körper mit einer Zentralkammer 10 auf, die auch in den Fig. 2, 3 und 4 zu sehen ist und die mit einer Sammelkammer 11 in Verbindung steht, die im Zentralkragen 12, mit dem die Elektrode 1 verbunden ist, ausgebildet ist. Die Sammelkammer ihrerseits erhält die unter Druck stehende Luft, die sich in Richtung 13 im Inneren des rohrförmigen Leiters 5 bewegt, von diesem.

Man sieht in äußerer koaxialer Lage zum Zentralkragen 12 einen Zwischenring 14, an dessen Außenseite koaxial ein Isolierkörper 15 vorgesehen ist, der am oberen Teil des Körpers des Brenners 6 befestigt ist.

Weiters ist außen am Isolierkörper 15 ein Zwischenkragen 16 angeordnet und schließlich an dessen Außenseite ein Außenkragen 17; dieser Kragen 17 ist ebenfalls am oberen Teil des Körpers des Brenners 6 befestigt. Schließlich ist, wie weiter oben ausgeführt, an der Stirnseite der Elektrode 1 eine Kappe 3 mit einer Düse 18 vorgesehen, die mit dem Zentralkragen 12 über ein isolierendes Zwischenelement 19 verbunden ist, das sie von der Elektrode 2 getrennt hält, sodaß die Ionisationskammer 4 geschaffen wird.

Zwischen dem Zentralkragen 12 und dem Zwischenring 14 befinden sich, ebenso wie zwischen dem Isolierkörper 15 und dem Zwischenkragen 16, zwei periphere, ringförmige Kühlkammern 20 bzw. 21. Die 3 ΑΤ 404 913 Β

Kammer 20 steht über eine Leitung 22 mit der Sammelkammer 11 in Verbindung und beide Kammern stehen im unteren Teil mit der Umgebung über eine Leitung 23 und eine Ringleitung 24, die durch die Kappe 3 und dem Zwischenkragen 16 definiert wird, in Verbindung.

Der größte Teil der Luft, die der Sammelkammer 11 zugeführt wird, gelangt unmittelbar in die Zentralkammer 10 von wo er durch Löcher 30, die in der Elektrode vorgesehen sind, direkt in die Ionisationskammer 4 geführt wird, wobei ein Teil dieser Luft die Leitungen 22 zwischen den peripheren Kühlkammern 20 und 21 durchströmmt, um durch die Ringkammer 24 ins Äußere zu gelangen.

Die Luft, die ins Innere der genannten Kammern 20 und 21 geführt wird, erfüllt zuerst ihre Funktion beim Kühlen der Elemente des Brenners und sodann beim Kühlen des Werkstückes, wenn die gleiche Luft die Ringleitung 24 durchquert und in Richtung 25 austritt.

Die Luft gelangt in Richtung 33 durch die Löcher 30, die in der Elektrode 1 vorgesehen sind und gelangt in die Ionisationskammer 4, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist, entlang einer absteigenden Schraubenbahn 31, da, wie aus Fig. 3 ersichtlich, die Löcher 30 mit ihren Achsen 32 im wesentlichen tangential zur Wand der zentralen Kühlkammer 10 der Elektrode 1 verlaufen.

Da die Luft durch die Löcher 30 den Körper der Elektrode 1 durchdringt, erfolgt die Abkühlung zuerst durch direkten Kontakt und in der Folge endgültig und komplett während des schraubförmigen Absteigers 31 der gleichen Luft, die die äußere Oberfläche der Elektrode 1 und die innere Oberfläche der Kappe 3 entlangstreicht. Man erreicht so eine wesentlich größere Abkühlung des Brenners, insbesondere der Elektrode 1 und der Kappe 3, wo die Wärmeentwicklung am größten ist.

Es somit evident, daß die merkliche Verbesserung der Kühlung konsequenterweise zu einer wesentlichen Verlängerung der Lebensdauer der Elektrode und der Kappe führt.

Die Kühlwirkung der Luft wird durch das spezielle Profil der Innenwand der Kappe 3, die die Ionisationskammer 4 begrenzt, verstärkt. Man stellt fest, daß das Profil aus einem Zylinderabschnitt 41 besteht, der über einen Verbindungsabschnitt 44 mit einem konischen Abschnitt 42 verbunden ist, der über eine Endverbindung 43 in die Düse 18 mündet.

Ein solches Profil unterwirft die Luft am Ausgang der Löcher 30 einer ersten Expansion in der den genannten Löchern unmittelbar folgenden Zone 50. Diese Expansion setzt sich in der ganzen Zone 51 etwa bis zum Ende des Verbindungsabschnittes 44 fort. In der Folge, etwa in der Höhe der Kante 53 der Elektrode 1, kann man eine Verengung des Querschnittes feststellen, was zu einer Kompression der Luft und in der Folge 54 zu einer neuen Expansion führt.

Die Thermodynamik der Fluide lehrt, daß jede Expansion eines Gases zu einer Abkühlung führt. Man versteht daher, daß das spezielle Profil der Ionisationskammer, die zu den aufeinander folgenden Expansionen und Kompressionen der Luft führt, schließlich zur Verbesserung der Kühlung des Brenners beiträgt.

Dieses spezielle Profil, das zur Folge der Expansionen und Kompressionen der Luft vor ihrem Austritt durch die Düse 18 führt, weist auch den Vorteil auf, die fluiddynamischen Bedingungen der Luft entlang der Schraubbahn 31 zu verändern und eine eventuell fehlende Homogenität des Durchflusses selbst durch die Ionisationskammer 4, beispielsweise durch eine schlechte Montage der Kappe 3 auf dem Brenner oder zufolge kleiner Fabrikationsfehler, zu beheben. Es ist tatsächlich, da das Zünden des Bogens im Bereich der Höhe des Verbindungsabschnittes 44 erfolgt, der Weg der Luft vom Auslaß des Loches 30 bis zum Startpunkt lang genug, um durch die vorgenannten Expansionen und Kompressionen die Regelung der Strömung selbst zu erlauben, um einen optimalen Plasmastrahl zu bilden.

Eine solche Verbesserung der Kühlung liefert die Möglichkeit, die Schnittgeschwindigkeit des Brenners zu erhöhen und die Betriebsspannung zu reduzieren und konsequenterweise Leistungen zu verwenden, die bezüglich analoger Typen zum Schneiden von Materialien gleicher Dicke kleiner sind.

Einer der Hauptvorteile ist ohne Zweifel die verlängerte Lebensdauer der Kappe und der Elektrode, was es erlaubt die Kosten des Schweißens merklich zu senken. Es haben tatsächlich experimentelle Versuche den Beweis erbracht, daß bei Verwendung einer gelochten Elektrode die Lebensdauer der Kappe und der Elektrode 5 x so lang sind wie bei Brennern, die die vorbekannten Elektroden verwenden. Dies läßt eine Ausweitung der Verwendung der Plasmaschneider erwarten, die auch Gebiete umfaßt, die bislang zufolge der hohen Kosten, die insbesondere durch das Tauschen der Brenner auftraten, ohne Interesse waren.

Man stellt fest, daß der erfindungsgemäße Brenner alle genannten Ziele erreicht.

Im Zuge der Herstellung können Änderungen bei der Anzahl und der Stellung der Löcher in der Elektrode vorgenommen werden, oder auch beim inneren Profil der Kappe, die die Ionisationskammer begrenzt, soweit diese Modifikationen oder andere Varianten unter den Schutzbereich der Erfindung fallen. 4

Claims (5)

1. AT 404 913 B Patentansprüche 1. Elektrode für einen Brenner zum Plasmaschneiden mittels eines ionisierbaren Gases mit einem im wesentlichen zylindrischen Elektrodenkörper, der vom gleichen ionisierbaren Gas abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkörper eine Zentralkammer (10) aufweist, die am Hinterende des Körpers mit einer Öffnung zum Anschluss an eine Leitung für das ionisierbare Gas versehen ist und dass der Körper an seiner Mantelfläche mit Auslässen (30) versehen ist, die die Zentralkammer (10) mit der Aussenseite des Körpers verbinden.
2. 2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslässe (30) Achsen (32) aufweisen, welche im Querschnitt normal zur Elektrodenachse im wesentlichen tangential zur Seitenwand der Zentralkammer (10) verlaufen.
3. 3. Brenner zum Plasmaschneiden, der eine Elektrode nach Anspruch 1 verwendet, umfassend: - einen Zentralkragen (12), der einerseits mit dem Körper des Brenners (6) über einen Isolierkörper (15) verbunden ist und mit der Elektrode (2) auf der anderen Seite verbunden ist; - eine Kappe (3), die mit einer Düse (18) versehen ist und vor der Stirnseite der Elektrode (1) angeordnet is, wobei diese Kappe durch ein isolierendes Zwischenelement (19), das sie mit dem Zentralkragen (12) verbindet, von der Elektrode getrennt ist; - einen rohrförmigen Leiter (5), der so angeordnet ist, dass er durch den Körper des Brenners (6) führt und in Verbindung mit einer externen Versorgungsquelle des unter Druck stehenden ionisierbaren Gases steht; - eine Ionisationskammer (4) die zwischen der Kappe (3) und der Elektrode (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Leiter (5), der im Inneren des Körpers des Brenners (6) liegt, mit dem Zentralkragen (12) verbunden ist und eine Sammelkammer (11) bildet, die im Zentralkragen (12) ausgebildet ist und mit der Zentralkammer (10) der Elektrode (1) in Verbindung steht.
4. 4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (3) eine der Elektrode (1) zugewandte Innenwand aufweist, die die Ionisationskammer (4) begrenzt, welche ein Profil hat, das einerseits im wesentlichen zylindrisch (41) ist und durch einen Verbindungsabschnitt (44) mit einem im wesentlichen konischen Abschnitt (42) verbunden ist, der in Richtung zur Düse (18) konvergiert, mit der er über einen Endabschnitt (43) verbunden ist.
5. 5. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass die Sammelkammer (11) über eine Leitung (22), die im Zentralkragen (12) ausgebildet ist, mit einer oder mehreren peripheren Kühlkammern (20, 21) in Verbindung steht, welche Kühlkammern zwischen dem Zentralkragen (12) und einem Aussenkragen (17) liegen, der mit dem Körper des Brenners (6) verbunden ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 5