AT515532B1 - Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners und Plasmabrenner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners (1) zum Bearbeiten elektrisch leitfähiger Werkstücke (2), wobei ein primäres Gas (G1) über eine Strahlquelle (3) gebündelt dem Werkstück (2) zugeführt wird, und in den Gasstrahl (GS1) von außen ein zwischen zumindest einer außerhalb der Strahlquelle (3) befindlichen Elektrode (4) und dem Werkstück (2) gezündeter Lichtbogen (L) eingebracht und der Gasstrahl (GS) ionisiert und dadurch ein Plasmastrahl (P) gebildet wird und einen Plasmabrenner (1). Zur Verbesserung der Bearbeitungsmöglichkeiten und Standzeiten des Plasmabrenners (1) ist vorgesehen, dass zur Bildung eines kombinierten Gasstrahls (kGS) zumindest ein vom primären Gas (G1) verschiedenes sekundäres Gas (G2) über zumindest eine Düse (6) dem durch das primäre Gas (G1) gebildeten Gasstrahl (GS1) von außen zugeführt wird, sodass das zumindest eine sekundäre Gas (G2) vom primären Gas (G1) mittransportiert wird, und dass der Lichtbogen (L) in eine äußere schlauchförmige Mantelschicht (sMS) des kombinierten Gasstrahls (kGS) eingebracht wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners zum Bearbei¬ten elektrisch leitfähiger Werkstücke, wobei ein primäres Gas über eine Strahlquelle gebündeltdem Werkstück zugeführt wird, und in den Gasstrahl von außen ein zwischen zumindest eineraußerhalb der Strahlquelle befindlichen Elektrode und dem Werkstück gezündeter Lichtbogeneingebracht und der Gasstrahl ionisiert und dadurch ein Plasmastrahl gebildet wird.

[0002] Weiters betrifft die Erfindung einen Plasmabrenner zum Bearbeiten elektrisch leitfähigerWerkstücke, mit einer Strahlquelle zum gebündelten Zuführen eines primären Gases und zu¬mindest einer außerhalb der Strahlquelle angeordneten Elektrode zum Zünden und Betreibeneines von außen in den Gasstrahl einbringbaren Lichtbogens zwischen der zumindest einenElektrode und dem Werkstück zur Ionisierung des Gasstrahls und Bildung eines Plasmastrah¬les.

[0003] Zum Bearbeiten von elektrisch leitfähigen Werkstücken, insbesondere Metallen, werdenPlasmabrenner verwendet, welche einen hochenergetischen Plasmastrahl erzeugen, mit demdas Material des Werkstücks geschmolzen werden kann. Häufig werden Plasmabrenner zumSchneiden von Werkstücken, beispielsweise von glühenden Stahlbrammen, verwendet. Grund¬sätzlich fallen unter den Begriff der Bearbeitung der Werkstücke, Verfahren wie Schneiden oderFräsen aber auch andere Oberflächenbearbeitungsverfahren, wie z.B. Sputtern oder derglei¬chen.

[0004] Zur Verbesserung der Bearbeitungsqualität und Erhöhung der Standzeit des Plasmab¬renners wurde gemäß der WO 2009/046473 A1 vorgeschlagen, den Lichtbogen außerhalb derStrahlquelle in den Gasstrahl einzubringen. Dadurch kann die thermische Beanspruchung derStrahlquelle vermindert und die Qualität des Bearbeitungsvorgangs, beispielsweise desSchneidvorgangs, verbessert werden.

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung eines oben ge¬nannten Verfahrens zum Betreiben eines Plasmabrenners und eines Plasmabrenners hinsicht¬lich der Bearbeitungsmöglichkeiten von Werkstücken.

[0006] Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch,dass zur Bildung eines kombinierten Gasstrahls zumindest ein vom primären Gas verschiede¬nes sekundäres Gas über zumindest eine Düse dem durch das primäre Gas gebildeten Gas¬strahl von außen zugeführt wird, sodass das zumindest eine sekundäre Gas vom primären Gasmittransportiert wird, und dass der Lichtbogen in eine äußere, schlauchförmige Mantelschichtdes kombinierten Gasstrahls eingebracht wird. Wesentlich ist die Zuführung zumindest einessekundären Gases in die den primären Gasstrahl umgebende Grenzschicht. Das zumindesteine sekundäre Gas ermöglicht oder erleichtert durch seine bessere lonisierbarkeit und elektri¬sche Leitfähigkeit die Bildung und den Betrieb des Lichtbogens. Beim Betrieb von Plasmabren¬nern wird sonst entsprechend dem von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen innerenDruckverlaufes der innere Bereich, also der Kernbereich der Strömung, als Entladungsstreckefür Lichtbögen genutzt. Die gegenständliche Erfindung unterscheidet sich davon wesentlichdadurch, dass hier der in der äußeren Mantelschicht zwischen dem kombinierten Gasstrahl undder umgebenden Luft entstehende Unterdrück genutzt wird. Dieser Unterdrück entsteht durchlokale Verwirbelungen zwischen dem kombinierten Gasstrahl und der Umgebungsluft und istvergleichbar mit der Prandtl-Schicht, welche sich entlang der Oberfläche umströmter Festkörperbildet. Da der Druck im Strömungsmantel größer ist als in der anliegenden Grenzschicht, springtder Lichtbogen dabei nicht in das Zentrum des kombinierten Gasstrahls. Durch entsprechendeZuführung zumindest eines vom primären Gas verschiedenen sekundären Gases, welches sichleichter ionisieren lässt als der aus der Strahlquelle kommende primäre Gasstrahl, wird diesesdurch den Unterdrück in der äußeren Grenzschicht des primären Gasstrahls angesogen,durchmischt sich aber nicht spontan mit dem primären Gas, sondern wird mit dem äußerenStrömungsmantel entlang der genannten Grenzschicht des primären Gasstrahls mittranspor¬tiert. Der sekundäre Gasstrahl wird also von der äußeren Grenzschicht des primären Gasstrahls absorbiert. Da dieses sekundäre Gas leichter ionisierbar ist, wird der mantel- bzw. schlauchför¬mige Entladungskanal um den primären Gasstrahl herum stabilisiert. Da der radiale Querschnittdes schlauchförmigen Entladungskanals größer ist, als der Querschnitt einer konventionellenEntladung im Kern der Strömung, ist der elektrische Widerstand innerhalb der Entladung gerin¬ger.

[0007] Vorteilhafterweise wird das zumindest eine sekundäre Gas mit einer geringeren Strö¬mungsgeschwindigkeit als das von der Strahlquelle emittierte primäre Gas dem Werkstückzugeführt. Die Bildung des kombinierten Gasstrahls, in welchem das aus der Strahlquelle strö¬mende primäre Gas entlang seiner äußeren Grenzschicht von dem zumindest einen aus derzumindest einen Düse strömenden sekundären Gas schlauchförmig umgeben ist, wird dadurchverbessert, dass die Strömungsgeschwindigkeit beider Gasstrahlen entsprechend zueinanderabgestimmt sind, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des sekundärenGasstrahls niedriger ist, als jene des primären Gasstrahls.

[0008] Weiters wird das zumindest eine sekundäre Gas vorzugsweise mit einer geringerenMenge als das von der Strahlquelle emittierte primäre Gas dem Werkstück zugeführt. Auchdadurch wird die gewünschte Bildung des kombinierten Gasstrahls unterstützt. Jedenfalls solltedas zumindest eine sekundäre Gas eine bessere elektrische Leitfähigkeit und leichtere lonisier-barkeit gegenüber dem primären Gas aufweisen. Dadurch wird der Lichtbogen in der vomsekundären Gas gebildeten schlauchförmigen äußeren Mantelschicht des derart kombiniertenGasstrahls kanalisiert.

[0009] Das zumindest eine sekundäre Gas kann über eine um die Elektrode zur Bildung desLichtbogens angeordnete Düse zugeführt werden. Dadurch, dass die Elektrode nur mit deräußeren Grenzschicht des Gasstrahls in Berührung kommt und vom sekundären Gas umströmtwerden kann, findet keine sonst damit verbundene Korrosion statt, was auch zu einer Verbes¬serung der Standzeiten führt. Durch das Plasma selbst und den im schlauchförmigen Entla¬dungskanal geheizten und ionisierten kombinierten Gasstrahl ist eine Verbesserung der Bear¬beitungsgeschwindigkeiten gegenüber bekannten Verfahren möglich.

[0010] Die zumindest eine Düse kann gekühlt werden, beispielsweise mit einem Kühlfluid.

[0011] Als primäres Gas kann vorzugsweise Sauerstoff verwendet werden. Dadurch könnenTemperaturen erzielt werden, bei welchen eine chemische Reaktion mit dem Material desWerkstückes stattfindet, sodass entsprechend der Bewegung der so zu einem Plasmabrennerkombinierten Strahlquellen über dem Werkstück eine Schnittfuge entsteht und das Verfahrenzum Brennschneiden genutzt werden kann.

[0012] Als zumindest ein sekundäres Gas kann ein Inertgas, insbesondere Argon, verwendetwerden.

[0013] Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen oben genannten Plasmab¬renner zum Bearbeiten elektrisch leitfähiger Werkstücke, bei dem zumindest eine Düse außer¬halb der Strahlquelle angeordnet ist, über welche zumindest eine Düse zur Bildung eines kom¬binierten Gasstrahls zumindest ein vom primären Gas verschiedenes sekundäres Gas demdurch das primäre Gas gebildeten Gasstrahl von außen zuführbar ist, sodass der Lichtbogen ineine äußere schlauchförmige Mantelschicht des kombinierten Gasstrahls einbringbar ist. Zu dendadurch erzielbaren Vorteilen wird auf die obige Beschreibung des Verfahrens zum Betreibeneines Plasmabrenners verwiesen. Der erfindungsgemäße Plasmabrenner zeichnet sich durcheine noch weiter erhöhte Standzeit aus.

[0014] Wie bereits oben erwähnt, weist das zumindest eine sekundäre Gas vorzugsweise einegeringere Strömungsgeschwindigkeit und bzw. oder eine geringere Menge als das von derStrahlquelle emittierte primäre Gas auf. Dabei müssen die Strömungsgeschwindigkeiten desprimären und zumindest einen sekundären Gases so abgestimmt sein, dass die den primärenGasstrahl umgebende Grenzschicht im Wesentlichen erhalten bleibt. Die Strömungsgeschwin¬digkeit des primären Gasstrahls ist dabei höher anzusetzen als jene des zumindest einen zuge¬führten sekundären Gases. Gleiches gilt für das Mengenverhältnis der Gase zueinander.

[0015] Die zumindest eine Düse kann um die zumindest eine Elektrode angeordnet sein.

[0016] Die zumindest eine Düse kann durch eine Unterschalldüse oder durch eine Überschall-düse gebildet sein.

[0017] Die zumindest eine Düse kann bevorzugt aus keramischem Material bestehen.

[0018] Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

[0019] Darin zeigen: [0020] Fig. 1 ein schematisches Schnittbild durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten

Plasmabrenner beim Bearbeiten eines Werkstücks; und [0021] Fig. 2 einen radialen Querschnitt durch einen beim gegenständlichen Verfahren auftre¬ tenden kombinierten Gasstrahl.

[0022] Fig. 1 zeigt ein schematisches Schnittbild durch einen erfindungsgemäß ausgebildetenPlasmabrenner 1 beim Bearbeiten elektrisch leitfähiger Werkstücke 2, insbesondere von Metal¬len. Dem Plasmabrenner 1 wird über eine Strahlquelle 3 ein primäres Gas G1 zugeführt,wodurch ein gebündelter primärer Gasstrahl GS1 in Richtung des Werkstücks 2 hervorgerufenwird. Außerhalb der Strahlquelle 3 ist eine Elektrode 4 angeordnet, welche mit einer Stromquel¬le 5 verbunden wird. Der andere Pol der Stromquelle 5 wird mit dem elektrisch leitfähigenWerkstück 2 verbunden. Durch Anlegen eines entsprechenden Stromes I zwischen Werkstück 2und Elektrode 4 wird ein Lichtbogen L zwischen Elektrode 4 und Werkstück 2 gezündet undbereitgestellt, der den Gasstrahl GS1 ionisiert und somit einen Plasmastrahl P erzeugt. Diehohe Energiedichte des Plasmastrahls P kann das Material des Werkstücks 2 zum Schmelzenbringen, wodurch eine Bearbeitung des Werkstücks 2, beispielsweise ein Schneiden, möglichwird.

[0023] Erfindungsgemäß wird nun zumindest ein vom primären Gas G1 verschiedenes sekun¬däres Gas G2 über zumindest eine Düse 6 dem durch das primäre Gas G1 gebildeten primärenGasstrahl GS1 zugeführt, sodass ein kombinierter Gasstrahl kGS gebildet wird. Beispielsweisewird als primäres Gas G1 Sauerstoff verwendet und als sekundäres Gas G2 Argon. Der durchdas sekundäre Gas G2 aus der externen Düse 6 gebildete sekundäre Gasstrahl GS2 hat dabeivorzugsweise eine geringere Strömungsgeschwindigkeit als der primäre Gasstrahl GS1, sodassdas über den sekundären Gasstrahl GS2 zugeführte Sekundärgas G2 von der schlauchförmi¬gen Mantelschicht sMS des primären Gasstrahls GS1 mittransportiert wird ohne sich wesentlichmit dem primären Gas G1 zu vermischen. Im kombinierten Gasstrahl kGS erhält man so eineleitfähige äußere Grenzschicht, in welcher der Lichtbogen L zwischen der externen Elektrode 4und dem elektrisch leitfähigen Werkstück 2 betrieben werden kann. Das den primären GasstrahlGS1 schlauchförmig umgebende Plasma P ist für einen Teil der aus dem Plasma P emittiertenelektromagnetischen Strahlung intransparent, wodurch dieser Teil der Strahlung wieder in deninneren Gasstrahl reflektiert wird. Dadurch wird das Aufheizen des gesamten kombiniertenGasstrahls kGS neben der mechanischen Wärmeleitung zusätzlich unterstützt, wobei auch eineIonisierung des von der schlauchförmigen Entladung eingeschlossenen Gasstrahls erfolgt. Dasprimäre Gas G1 wird damit leichter auf eine für eine Reaktion auf dem Werkstück 2 notwendigeTemperatur geheizt.

[0024] Wesentlich bei der Nutzung des Verfahrens ist es, dass die Elektrode 4 nicht in dasZentrum des primären Gasstrahls GS1 ragt, sich aber in der Nähe von dessen äußerer Grenz¬schicht befindet. Weiters ist es wesentlich, dass das zugeführte sekundäre Gas G2, welchesvon der Grenzschicht des primären Gasstrahls GS1 aufgenommen wird, über eine Düse 6 inder Nähe der Elektrode 4 zugeführt wird, wobei die Elektrode 4 auch von der Düse 6 umgebensein kann. Der Lichtbogen L wird dabei nicht in den primären Gasstrahl GS1 selbst injiziert,sondern in dessen äußere Grenzschicht, in welcher das sekundäre Gas G2 mittransportiertwird.

[0025] Die Strahlquelle 3, die Elektrode 4 und die zumindest eine Düse 6 können mit einerKühleinrichtung 7 versehen sein. Die Kühleinrichtungen 7 können beispielsweise durch ent¬ sprechende Kühlkanäle, durch die ein Kühlmedium fließt, gebildet werden. Schließlich kanneine Fokussiereinrichtung 8 zum Fokussieren des Plasmastrahles P vorgesehen sein. DieFokussiereinrichtung 8 kann beispielsweise durch eine zwischen der Strahlquelle 3 und demWerkstück 2 angeordnete Spule 9 und bzw. oder einen zwischen der Strahlquelle 3 und demWerkstück 2 angeordneten Permanentmagneten 10 gebildet sein. Durch das von der Spule 9bzw. dem Permanentmagneten 10 hervorgerufene elektromagnetische Feld wird der Plasma¬strahl P eingeschnürt.

[0026] Fig. 2 zeigt einen radialen Querschnitt durch einen durch die Kombination eines pri¬mären Gases G1 und zumindest eines sekundären Gases G2 gebildeten kombiniertenGasstrahls kGS mit dem schlauchförmigen Entladungskanal des Lichtbogens L. Im Zentrumdes kombinierten Gasstrahls kGS, in der Kernströmung KS, ist die Strömungsgeschwindigkeithöher als im Rest des strömenden Gaskörpers. Daher wird bei bekannten Verfahren die Kern¬strömung zum Kanalisieren von Lichtbögen genutzt, da die umgebenden langsameren Strö¬mungsschichten LS einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen. In der den kombiniertenGasstrahl kGS insgesamt umgebenden schlauchförmigen Mantelschicht sMS ist der Druckgegenüber den langsameren Strömungsschichten LS und der Umgebung jedoch ebenfallsgeringer, wie bei der von umströmten Körpern her bekannten Prandtl-Schicht. Daher wird beider gegenständlichen Erfindung die Möglichkeit genutzt, durch zumindest eine entsprechenddimensionierte und positionierte Düse 6 zumindest ein vom primären Gas G1 verschiedenessekundäres Gas G2 zuzuführen, welches von der schlauchförmigen Mantelschicht sMS mit¬transportiert wird und aufgrund seiner besseren lonisierbarkeit und elektrischen Leitfähigkeiteinen schlauchförmigen Lichtbogen L innerhalb der schlauchförmigen Mantelschicht sMS be¬treibt.

Claims (14)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners (1) zum Bearbeiten elektrisch leitfähigerWerkstücke (2), wobei ein primäres Gas (G1) über eine Strahlquelle (3) gebündelt demWerkstück (2) zugeführt wird, und in den Gasstrahl (GS1) von außen ein zwischen zumin¬dest einer außerhalb der Strahlquelle (3) befindlichen Elektrode (4) und dem Werkstück (2)gezündeter Lichtbogen (L) eingebracht und der Gasstrahl (GS) ionisiert und dadurch einPlasmastrahl (P) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines kombi¬nierten Gasstrahls (kGS) zumindest ein vom primären Gas (G1) verschiedenes sekundäresGas (G2) über zumindest eine Düse (6) dem durch das primäre Gas (G1) gebildeten Gas¬strahl (GS1) von außen zugeführt wird, sodass das zumindest eine sekundäre Gas (G2)vom primären Gas (G1) mittransportiert wird, und dass der Lichtbogen (L) in eine äußereschlauchförmige Mantelschicht (sMS) des kombinierten Gasstrahls (kGS) eingebracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine sekundä¬re Gas (G2) mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit als das von der Strahlquelle(3) emittierte primäre Gas (G1) dem Werkstück (2) zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest einesekundäre Gas (G2) mit einer geringeren Menge als das von der Strahlquelle (3) emittierteprimäre Gas (G1) dem Werkstück (2) zugeführt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumin¬dest eine sekundäre Gas (G2) über eine um die Elektrode (4) angeordnete Düse (6) zuge¬führt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumin¬dest eine Düse (6) gekühlt wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als primäres Gas(G1) Sauerstoff verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als zumindestein sekundäres Gas (G2) ein Inertgas, insbesondere Argon, verwendet wird.
8. 8. Plasmabrenner (1) zum Bearbeiten elektrisch leitfähiger Werkstücke (2), mit einer Strahl¬quelle (3) zum gebündelten Zuführen eines primären Gases (G1) und zumindest einer au¬ßerhalb der Strahlquelle (3) angeordneten Elektrode (4) zum Zünden und Betreiben einesvon außen in den Gasstrahl (GS1) einbringbaren Lichtbogens (L) zwischen der zumindesteinen Elektrode (4) und dem Werkstück (2) zur Ionisierung des Gasstrahls (GS1) und Bil¬dung eines Plasmastrahles (P), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Düse (6)außerhalb der Strahlquelle (3) angeordnet ist, über welche zumindest eine Düse (6) zurBildung eines kombinierten Gasstrahls (kGS) zumindest ein vom primären Gas (G1) ver¬schiedenes sekundäres Gas (G2) dem durch das primäre Gas (G1) gebildeten Gasstrahl(GS) von außen zuführbar ist, sodass der Lichtbogen (L) in eine äußere schlauchförmigeMantelschicht (sMS) des kombinierten Gasstrahls (kGS) einbringbar ist.
9. 9. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest einesekundäre Gas (G2) eine geringere Strömungsgeschwindigkeit als das von der Strahlquel¬le (3) emittierte primäre Gas (G1) aufweist.
10. 10. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumin¬dest eine sekundäre Gas (G2) eine geringere Menge als das von der Strahlquelle (3) emit¬tierte primäre Gas (G1) aufweist.
11. 11. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dasszumindest eine Düse (6) um die zumindest eine Elektrode (4) angeordnet ist.
12. 12. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dasszumindest eine Düse (6) durch eine Unterschalldüse gebildet ist.
13. 13. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dasszumindest eine Düse (6) durch eine Überschalldüse gebildet ist.
14. 14. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dassdie zumindest eine Düse (6) aus keramischem Material besteht. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen