DE10044764A1 - Arrangement for plasma welding and/or plasma cutting has nozzle opening with high temperature resistant surface with electrical conducting properties at least near plasma jet outlet - Google Patents
Arrangement for plasma welding and/or plasma cutting has nozzle opening with high temperature resistant surface with electrical conducting properties at least near plasma jet outletInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Plasmaschweißen und/oder Plasmaschneiden mit einer Düseneinrichtung, welche einen ein Plasmagas führenden Düsenkörper aus elektrisch leitendem Material aufweist, in dem eine von einer elektrischen Energiequelle beaufschlagte Elektrode angeordnet ist und die eine zum Werkstück gerichtete Düsenöffnung aufweist, durch die der Plasmastrahl hindurchströmt.The invention relates to a device for Plasma welding and / or plasma cutting with one Nozzle device which carry a plasma gas Has nozzle body made of electrically conductive material, in which one from an electrical energy source loaded electrode is arranged and the one to Has workpiece directed nozzle opening through which the Plasma jet flows through.
Eine Vorrichtung dieser Art ist bekannt aus dem Fachaufsatz "Alu-Plasmaschweißen: Gleich- oder Wechselstrom?", Dieter Dzelnitzki, Technica 10/2000, Seite 44 bis 53, Technica VerlagsAG, Rupperswil, 49. Jahrgang.A device of this kind is known from the technical article "aluminum plasma welding: direct or alternating current," Dieter Dzelnitzki, Technica 10/2000 page 44 to 53, Technica VerlagsAG, Rupperswil, 49th year.
Die Technologie des Plasma-Lichtbogenschweißens hat sich aus dem Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) entwickelt. Während beim WLG-Schweißen der Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Wolfram-Elektrode und dem Werkstück frei brennt, wird er beim Plasmaschweißen durch eine Düse und einen Gasstrom zusätzlich eingeschnürt. Der Plasma- Gasstrom ist aufgrund der hohen Lichtbogen-Temperatur weitgehend ionisiert und weist eine große Anzahl an elektrischen Ladungsträgern auf. Nach dem Durchtritt durch die Düsenöffnung mit einer sehr hohen Geschwindigkeit trifft der Plasmastrahl in Form einer sehr energiereichen Lichtbogensäule auf das Werkstück auf, wobei das eingeschnürte Plasma zwischen der Wolfram- Elektrode und dem Werkstück über eine sehr hohe Energiedichte verfügt. Die Vorteile des Plasma- Lichtbogenverfahrens bestehen bestehen in einer geringen Strahldivergenz, so daß das Schmelzbad klein bleibt, die Wärmeeinflußzonen schmal sind und der Verzug gering gehalten werden kann.The technology of plasma arc welding has changed developed from tungsten inert gas welding (TIG). While in WLG welding the arc between one non-melting tungsten electrode and the workpiece burns freely, it is plasma-welded through a nozzle and constricted a gas stream additionally. The plasma Gas flow is due to the high arc temperature largely ionized and instructs a large number electrical charge carriers. After passing through through the nozzle opening with a very high The plasma jet hits in the form of a speed very energetic arc column on the workpiece the constricted plasma between the tungsten Electrode and the workpiece over a very high Has energy density. The advantages of plasma Arc processes exist in a low Beam divergence so that the weld pool remains small, the Heat affected zones are narrow and the warpage is low can be held.
Ein Problem beim Plasmaschweißen bzw. Plasmaschneiden besteht darin, daß sich im Bereich der Austrittsöffnung des Plasmastrahls Abdampfungen des Elektrodenmaterials, üblicherweise Wolfram, auf der Unterseite der Düsenöffnung und in der Öffnung selbst absetzen, so daß im Laufe der Zeit ein Zusetzen der Öffnung erfolgen kann.A problem with plasma welding or plasma cutting consists in that in the area of the outlet opening vaporization of the electrode material of the plasma jet, usually tungsten, on the underside of the Place the nozzle opening and in the opening itself so that the opening can become clogged over time.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß ein Zusetzen der Düsenöffnung verhindert werden soll.Proceeding from this, the invention is based on the object a device of the type mentioned in that regard further develop that clogging of the nozzle opening should be prevented.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Düsenöffnung mindestens im Bereich des Plasmastrahlaustrittes eine hochtemperaturbeständige Oberfläche mit elektrisch isolierenden Eigenschaften aufweist.This object is achieved in that the nozzle opening at least in the area of A high-temperature resistant plasma jet emerges Surface with electrically insulating properties having.
Durch die hochtemperaturbeständige elektrisch isolierende Auslegung der Oberfläche der Düsenöffnung wird die Neigung des Absetzens von Elektrodenmaterial durch die in diesen Bereichen verringerte metallische Leitfähigkeit wirksam herabgesetzt. Die für das Plasmaschweißen bzw. Plasmaschneiden erforderlichen leitfähigen Eigenschaften des Düsenkörpers bleiben aber grundsätzlich erhalten und werden in vorteilhafter Weise mit den Hochtemperatureigenschaften des verwendeten Oberflächenmaterials kombiniert. Darüber hinaus erhöht sich durch die Hochtemperaturkeramik die Verschleißfestigkeit und damit die Lebensdauer der Düseneinrichtung.Due to the high temperature resistant electrically insulating Interpretation of the surface of the nozzle opening is the Tendency of electrode material to settle due to the in reduced metallic conductivity in these areas effectively reduced. The for plasma welding or Plasma cutting required conductive properties of the nozzle body are basically preserved and are advantageously used with the High temperature properties of the used Combined surface material. It also increases the high-temperature ceramic Wear resistance and thus the lifespan of the Nozzle device.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferred embodiments of the invention are in the Subclaims marked.
Dabei ist eine erste bevorzugte Ausführungsform, daß der Düsenkörper aus einer leitenden Keramik besteht. Diese kann vorzugsweise noch mit einer zusätzlichen Kupferbeschichtung versehen sein.A first preferred embodiment is that the Nozzle body consists of a conductive ceramic. This can preferably still with an additional Copper coating.
Die Alternative hierzu besteht darin, daß der Düsenkörper aus Kupfer besteht, wobei der Düsenkörper im Bereich der Plasmastrahlaustrittsöffnung mit einem Keramikmaterial beschichtet ist.The alternative to this is that the nozzle body consists of copper, the nozzle body in the area of Plasma jet outlet opening with a ceramic material is coated.
Als weitere Alternative ist vorgesehen, daß das hochtemperaturbeständige Material des Düsenkörpers Graphit ist, welchem insbesondere ein Anteil Kupfer beigemischt werden kann.As a further alternative it is provided that the high temperature resistant material of the nozzle body Graphite is what a proportion of copper in particular can be added.
Die Energiequelle zur Beaufschlagung der Elektrode kann entweder eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle sein. Hieraus ergeben sich je nach Anwendungsfall optimierte Prozeßbedingungen.The energy source for applying the electrode can either a DC voltage source or one Be an AC voltage source. From this arise depending on Application optimized process conditions.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht ferner vor, daß eine weitere Energiequelle vorgesehen ist zur Erzeugung eines Pilotlichtbogens, welcher zwischen der Elektrode und dem Düsenkörper ausgebildet ist und zur Zündung des Prozesses dient.A preferred embodiment of the invention provides furthermore that a further energy source is provided to generate a pilot arc, which between the electrode and the nozzle body is formed and for Ignition of the process serves.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. The invention is described below with reference to a drawing explained in more detail.
Dabei zeigen für ein Ausführungsbeispiel:For an exemplary embodiment,
Fig. 1 eine Schnittzeichnung einer Düseneinrichtung zum Plasmaschweißen und/oder Plasmaschneiden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, Fig. 1 is a sectional view of a nozzle device for plasma welding and / or plasma cutting, as it is known from the prior art,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Düsenkörper der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. Fig. 2 shows a section through the nozzle body of the device shown in Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine Düseneinrichtung 1 zur Erzeugung eines Plasmastrahls, welche mit ihrer Düsenöffnung 4 auf ein Werkstück 5 gerichtet ist. Die Düseneinrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Düsenkörper 3, welcher aus einer Quelle mit einem Plasmagas P beaufschlagbar ist. Der Düsenkörper 3 ist aus einem leitfähigen Material gebildet. Die Strömungsrichtung des Plasmagases ist durch die Pfeile im Innenraum des Düsenkörpers 3 gekennzeichnet. Innerhalb des Düsenkörpers 3 ist ebenfalls eine Wolfram-Elektrode 2 angeordnet, welche von einer elektrischen Energiequelle 6 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt ist, wobei der andere Pol der elektrischen Energiequelle mit dem Werkstück 5 verbunden ist. Fig. 1 shows a nozzle means 1 for generating a plasma beam which is directed with its orifice 4 on a workpiece 5. The nozzle device 1 essentially consists of a nozzle body 3 which can be charged with a plasma gas P from a source. The nozzle body 3 is formed from a conductive material. The direction of flow of the plasma gas is indicated by the arrows in the interior of the nozzle body 3 . A tungsten electrode 2 is likewise arranged within the nozzle body 3 and is supplied with an electrical voltage from an electrical energy source 6 , the other pole of the electrical energy source being connected to the workpiece 5 .
Die Elektrode 2 mündet mit ihrer Spitze in den Bereich der Düsenöffnung 4 des Düsenkörpers 3.The tip of the electrode 2 opens into the area of the nozzle opening 4 of the nozzle body 3 .
Der Düsenkörper 3 ist von einer Schutzgaskammer 7 umgeben, in die von außen Schutzgas S eingeleitet wird. Das Schutzgas S besteht aus Argon, Helium oder einem Gemisch der Bestandteile. Auch das Plasmagas besteht aus Argon, Helium oder einem geeigneten Gemisch der Bestandteile. The nozzle body 3 is surrounded by a protective gas chamber 7 , into which protective gas S is introduced from the outside. The protective gas S consists of argon, helium or a mixture of the components. The plasma gas also consists of argon, helium or a suitable mixture of the components.
Darüber hinaus ist eine weitere Energiequelle vorgesehen, die als Gleichspannungsquelle zwischen der Elektrode 2 und dem Düsenkörper 3 angeordnet ist. Diese dient zur Erzeugung eines Pilotlichtbogens, mittels dessen der Plasmalichtbogen im Inneren des Düsenkörpers 3 gezündet wird.In addition, a further energy source is provided, which is arranged as a direct voltage source between the electrode 2 and the nozzle body 3 . This is used to generate a pilot arc, by means of which the plasma arc is ignited in the interior of the nozzle body 3 .
Nach dem Zünden des Lichtbogens der Elektrode 2 und der Beaufschlagung durch das Plasmagas P wird der durch die Düsenöffnung 4 auf das Werkstück 5 gerichtete Plasmastrahl erzeugt.After the arc of the electrode 2 has been ignited and the plasma gas P has acted on it, the plasma beam directed through the nozzle opening 4 onto the workpiece 5 is generated.
Fig. 2 zeigt als einen Ausschnitt aus Fig. 1 den Düsenkörper 3, welcher aus dem Grundmaterial Kupfer besteht. Im Bereich der Düsenöffnung, also dem Austrittsbereich des Plasmastrahls, ist der Düsenkörper 3 mit einer hochtemperaturbeständigen Keramik 8 beschichtet. Die Beschichtung erstreckt sich dabei sowohl entlang des eigentlichen Öffnungsbereiches als auch bis hin in die Nachbarbereiche, wie dies durch die ausgefüllten Linien dargestellt ist. Durch die beschriebene Keramikbeschichtung wird erreicht, daß sich keine Abdampfungen, insbesondere aus Wolfram, auf der Unterseite der Austrittsöffnung und in der Öffnung selbst absetzen. Auch solche Abdampfungen, die vom Werkstück stammen, z. B. Zink, setzen sich dabei nicht im Bereich der Düsenöffnung ab. FIG. 2 shows a section of FIG. 1, the nozzle body 3 , which consists of the basic material copper. In the region of the nozzle opening, that is to say the exit region of the plasma jet, the nozzle body 3 is coated with a ceramic 8 which is resistant to high temperatures. The coating extends along the actual opening area as well as into the neighboring areas, as shown by the solid lines. The ceramic coating described ensures that no evaporation, in particular made of tungsten, settles on the underside of the outlet opening and in the opening itself. Such evaporation, which come from the workpiece, for. B. zinc, do not settle in the area of the nozzle opening.
Im Inneren des Düsenkörpers 3 ist die hochtemperaturbeständige Beschichtung jedoch soweit ausgespart, daß der Pilotlichtbogen unbeeinflußt bleibt.In the interior of the nozzle body 3, however , the high-temperature-resistant coating is recessed to such an extent that the pilot arc remains unaffected.
Als Alternative zu der in Fig. 2 dargestellten Keramikbeschichtung des aus Kupfer gebildeten Düsenkörpers 3 kann vorgesehen sein, daß der Düsenkörper massiv aus leitender Keramik hergestellt ist. Er kann vorteilhafterweise noch eine zusätzliche Kupferbeschichtung in den nicht hochtemperaturbeeinflußten Bereichen tragen.As an alternative to the ceramic coating shown in FIG. 2 of the nozzle body 3 formed from copper, it can be provided that the nozzle body is made of solid conductive ceramic. It can advantageously also carry an additional copper coating in the areas not affected by high temperatures.
Weiter alternativ kann auch vorgesehen sein, daß der Düsenkörper aus Graphit besteht, welches ebenfalls einerseits leitend und andererseits hochtemperaturbeständig ist. Je nach Leitfähigkeitsanforderungen kann dem Graphit noch Kupfer beigemischt werden.Alternatively, it can also be provided that the Nozzle body made of graphite, which also on the one hand leading and on the other hand is resistant to high temperatures. Depending on The graphite can also have conductivity requirements for copper be added.
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