DE10144516A1

DE10144516A1 - Plasmabrenner

Info

Publication number: DE10144516A1
Application number: DE10144516A
Authority: DE
Inventors: Volker Krink; Frank Laurisch; Bernd Zickert; Thomas Steudtner
Original assignee: Kjellberg Finsterwalde Elektroden and Maschinen GmbH
Current assignee: Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: DE10144516B4

Abstract

Plasmabrenner mit einer Elektrode und einer Düse, die mindestens eine Düsenvorkammer aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode in die Düsenvorkammer bzw. in mindestens eine der Düsenvorkammern hineinragt bzw. hineinragbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einer Elektrode und einer Düse, die mindestens eine Düsenvorkammer aufweist.
Ein derartiger Plasmabrenner ist aus der EP 0 452 494 B1 bekannt. Die Düsenvorkammer(n) soll(en) schräge Schnittflächen beim Plasmaschneiden verhindern, die durch Unsymmetrien der Plasmagasströmung aufgrund unterschiedlicher Ringspalte zwischen Elektrode und Düse verursacht werden.
Praktische Untersuchungen haben ergeben, daß mit einem derartigen Plasmabrenner keine hochqualitativen Schnitte, insbesondere an hochlegierten Stählen und Alumnium, realisierbar sind. Es tritt z. B. bei Blechen mit einer Dicke von weniger als 8 mm beim Einsatz von Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch eine starke Bartbildung auf. Diese kann durch den Einsatz von Luft oder Sauerstoff reduziert werden. Jedoch werden dann keine metallisch blanken Schnittflächen erreicht. Damit erfüllen die Schnittflächen nicht die benötigten Qualitätsanforderungen. Die so erzeugten Schnittflächen müssen aufwendig nachbearbeitet werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Plasmabrenner so weiterzubilden, daß damit metallisch blanke Schnittflächen ohne Bartbildung geschaffen werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Elektrode in die Düsenvorkammer bzw. in mindestens eine der Düsenvorkammern hineinragt bzw. hineinragbar ist.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Düse einteilig gestaltet und die Düsenvorkammer bzw. jede Düsenvorkammer durch eine Vorbohrung gebildet wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Düse aus einem äußeren Düsenteil mit einer Düsenöffnung und mindestens einem separaten inneren Düsenteil mit einer Voröffnung besteht und die Düsenvorkammer bzw. Düsenvorkammern in dem Bereich zwischen der Düsenöffnung und der Voröffnung bzw. in dem Bereich zwischen der Düsenöffnung und der Voröffnung und in den Bereichen zwischen jeweils zwei benachbarten Voröffnungen gebildet wird/werden.
Günstigerweise ist der äußere Düsenteil als Laval-Düse ausgebildet. Dies dient zur weiteren Beschleunigung des Plasmastrahls.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Elektrode stabförmig ausgebildet ist.
Günstigerweise ist die Elektrode angespitzt.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Elektrode in einer Halterung aus elektrisch leitfähigem Material befestigt ist.
Zweckmäßigerweise besteht die Halterung aus Kupfer oder Silber.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die Elektrode derart in der Halterung befestigt ist, daß sie in Richtung zur Düse aus der Halterung herausragt.
Schließlich kann vorgesehen sein, daß zusätzlich eine Sekundärgasdüse vorgesehen ist. Dies verbessert die Schnittqualität.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch das Hineinragenlassen der Elektrode in den den Plasmastrahl direkt beeinflussenden Teil (Düsenvorkammer) der Düse das Plasmagas bereits dort eine große axiale Geschwindigkeitskomponente, das heißt eine Vorausrichtung und Beschleunigung, erhält. So wird das Plasmagas noch vor seiner Ionisation innerhalb der Düse symmetrisch gemacht und in Richtung der Elektrode-Düse-Achse beschleunigt. Dies führt überraschenderweise zu metallisch blanken Schnittflächen ohne Bartbildung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Strahlerzeugungssystems einer besonderen Ausführungsform eines Plasmabrenners gemäß der vorliegenden Erfindung; und
zeigen die Fig. 2 bis 8 besondere Gestaltungen und Anordnungen von Düse und Elektrode.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Strahlerzeugungssytems 100 einer besonderen Ausführungsform eines Plasmabrenners zum Plasmaschneiden. Das Strahlerzeugungssystem 100 umfaßt eine Elektrode 1, die stabförmig ausgebildet ist und aus Wolfram besteht. Die Elektrode 1 ist in eine Halterung 2 aus Kupfer gepreßt, die mit Wasser 12 gekühlt wird. Ein Teil 1a ragt in Richtung einer Düse 4 aus der Halterung 2 heraus. Der Teil 1a ist in Richtung zur Düse 4 angespitzt. Plasmagas 10, in diesem Fall Stickstoff, wird über eine Gasführung 3, die sich zwischen der Düse 4 und der Halterung 2 befindet und deren Abstand fixiert ist, in einem Raum 13 zwischen der Halterung 2 und der Düse 4 geführt und in Rotation versetzt.
Die Düse 4 ist einteilig gestaltet und weist eine Vorbohrung 14 auf. Die Elektrode 1 ragt in diese Vorbohrung 14 hinein. So wird das Plasmagas 10 noch vor seiner Ionisation innerhalb der Düse 4 symmetrisch gemacht und in Richtung der Elektrode 1-Düse 4-Achse beschleunigt. Die Düse 4 wird wie die Halterung 2 und die Elektrode 1 mit Wasser 12 gekühlt und von einer Düsenkappe 7 fixiert.
Der Plasmastrahl wird zusätzlich von einem Sekundärgas 11 umströmt.
Die Zündung des Pilotlichtbogens (nicht gezeigt) erfolgt mittels Hochspannung (nicht gezeigt), die zwischen der Elektrode 1 und der Düse 4 angelegt wird. Der Schneidlichtbogen bildet sich aus, wenn der Pilotlichtbogen das Werkstück (nicht gezeigt) berührt. Der Plasmastrahl wird zusätzlich von Sekundärgas 11, hier Stickstoff, das über eine Sekundärgasdüse 5 zugeführt wird, umströmt. Dadurch wird eine Oxidation der Schnittflächen durch eine Reaktion mit dem in der Umgebungsluft befindlichen Sauerstoff verhindert. Dieser Effekt kann durch das Zumischen von geringen Anteilen Wasserstoff (z. B. 1 bis 20%) noch verstärkt werden.
Mit diesem Plasmabrenner wurden metallisch blanke und bartfreie Schnittflächen an hochlegierten Stählen im Bereich von 0,5 bis 15 mm Materialdicke hergestellt.
Die Anordnung und Gestaltung der Düse und Elektrode ist prinzipiell auch für andere Plasmatechnologien, wie beispielsweise Plasmaschweißen, Plasmafugen und Plasmamarkieren geeignet.
Fig. 2 zeigt eine Düse 4, die einteilig gestaltet ist und eine Vorbohrung 14 aufweist, in die eine stabförmige, angespitzte Elektrode 1 hineinragt. Sie ragt also in den den Plasmastrahl einschnürenden Teil der Düse 4 hinein. Der Abstand a der Elektrodenspitze 1b von der Düsenöffnung 4a liegt im Bereich von 0,3 mm bis b, wobei b die axiale Länge der Vorbohrung 14 darstellt.
In Fig. 3 weist die Düse 4 zwei Vorbohrungen 14 und 15 auf, wobei die Elektrode 1 nur in die Vorbohrung 15 hineinragt, während sie in Fig. 4 in beide Vorbohrungen 14 und 15 hineinragt.
Fig. 5 zeigt eine aus einem äußeren Düsenteil 4b und einem inneren Düsenteil 4c bestehende Düse 4. Das äußere Düsenteil 4b weist eine Düsenöffnung 4a und das innere Düsenteil 4c weist eine Voröffnung 4d auf. Eine Elektrode ragt in die Voröffnung 4d hinein. Im Bereich zwischen den beiden äußeren und inneren Düsenteilen 4b und 4c ergibt sich zwischen der Düsenöffnung 4a und der Voröffnung 4d eine Vorkammer 14.
In Fig. 6 ist die Düse 4 wieder wie in Fig. 2 dargestellt. Die Elektrode 1 ist jedoch in einer Halterung 2 derart eingepreßt, daß sie in Richtung zur Düse 4 über die Halterung 2 und in eine Vorbohrung 14 vorragt.
In Abweichung von Fig. 6 ragt die in Fig. 7 gezeigte Elektrode 1 nicht über die Halterung 2 hinaus, sondern ist die Halterung 2 zur Düse 4 hin angespitzt und ragt die Elektrode 1 gemeinsam mit der Halterung 2 in die Vorbohrung 14 hinein.
In Fig. 8 ist die Düse 4 abweichend von der in den Fig. 2, 6 und 7 gezeigten Düse im zu einem Werkstück (nicht gezeigt) gewandten Bereich 4e als Laval-Düse ausgebildet.
Das Elektrodenmaterial ist für nicht oxidierende Gase Wolfram. Die stabförmige Elektrode kann sowohl in einer Halterung aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise Kupfer oder Silber, eingepreßt sein oder von einer Spannzange o. ä. gehalten werden. Diese Halterungen werden in der Regel wassergekühlt, um eine effektive Wärmeableitung zu realisieren.
Wenn die Elektrode bis zu ihrer Spitze in der Halterung befestigt ist, so verbessert dies die Kühlung derselben. Dies ist besonders beim Einsatz von Hafnium als Elektrodenmaterial, das bei sauerstoffhaltigen Gasen eingesetzt wird, notwendig, da Hafnium eine geringere Schmelztemperatur besitzt als Wolfram.
Es können damit insbesondere hochlegierte Stähle mit einer Dicke von weniger als 8 mm und Aluminium hochqualitativ geschnitten werden, das heißt metallisch blanke und bartfreie Schnittflächen erzeugt werden.
Zusätzlich wird mit der Anordnung von Düsen und Elektrode ein sicheres Zünden von der Elektrodenspitze zur Düse auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Drücken des Plasmagases erreicht. Das Plasmagas kann durch eine Gasführung in Rotation versetzt und zusätzlich stabilisiert werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Bezugszeichenliste 1 Elektrode
1a Teil
1b Elektrodenspitze
2 Halterung
3 Gasführung
4 Düse
4a Düsenöffnung
4b äußerer Düsenteil
4c innerer Düsenteil
4d Voröffnung
4e Bereich
5 Sekundärgasdüse
7 Düsenkappe
10 Plasmagas
11 Sekundärgas
12 Wasser
13 Raum
14, 15 Vorbohrungen
100 Strahlerzeugungssystem
a Abschnitt
b Länge

Claims

1. Plasmabrenner mit einer Elektrode (1) und einer Düse (4), die mindestens eine Düsenvorkammer aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) in die Düsenvorkammer bzw. in mindestens eine der Düsenvorkammern hineinragt bzw. hineinragbar ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) einteilig gestaltet und die Düsenvorkammer bzw. jede Düsenvorkammer durch eine Vorbohrung (14, 15) gebildet wird.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) aus einem äußeren Düsenteil (4b) mit einer Düsenöffnung (4a) und mindestens einem separaten inneren Düsenteil (4c) mit einer Voröffnung (4d) besteht und die Düsenvorkammer bzw. Düsenvorkammern in dem Bereich zwischen der Düsenöffnung (4a) und der Voröffnung (4d) bzw. in dem Bereich zwischen der Düsenöffnung (4a) und der Voröffnung (4d) und in den Bereichen zwischen jeweils zwei benachbarten Voröffnungen (4d) gebildet wird/werden.

4. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Düsenteil (4b) als Laval-Düse ausgebildet ist.

5. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) stabförmig ausgebildet ist.

6. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) angespitzt ist.

7. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) in einer Halterung (2) aus elektrisch leitfähigem Material befestigt ist.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2) aus Kupfer oder Silber besteht.

9. Plasmabrenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) derart in der Halterung (2) befestigt ist, daß sie in Richtung zur Düse (4) aus der Halterung (2) herausragt.

10. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Sekundärgasdüse (5) vorgesehen ist.