DE102004011552A1

DE102004011552A1 - Vorrichtung und Verfahren zum thermischen Schneiden eines metallischen Werkstückes

Info

Publication number: DE102004011552A1
Application number: DE200410011552
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Bienia; Ralf Dr.-Ing. Versemann; Friedrich-Wilhelm Prof. Dr.-Ing. Bach
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum thermischen Schneiden eines metallischen Werkstückes (2). Die Vorrichtung (1) weist eine einen Lichtbogen (4), insbesondere einen Plasmastrahl, führende erste Schneideinrichtung (3) und eine einen Schneidsauerstoffstrahl (8) führende zweite Schneideinrichtung (7) auf. Die zweite Schneideinrichtung (7) ist in einer Schneidrichtung (14) der Vorrichtung (1) derart hinter der ersten Schneideinrichtung (3) angeordnet, dass der Schneidsauerstoffstrahl (8) in eine durch den Lichtbogen (4) erzeugte Schnittfuge (6) einkoppelbar ist. Außerdem ist eine Mittelachse (10) des Schneidsauerstoffstrahls (8) gegenüber einer Mittelachse (9) des Lichtbogens (4) derart geneigt, dass sich die Mittelachsen (9, 10) des Schneidsauerstoffstrahls (8) und des Lichtbogens (4) zwischen den Werkstückoberflächen (5, 11) in einer gemeinsamen Wirkzone (12) kreuzen. Durch die Anordnung des Schneidsauerstoffstrahls (8) in Schneidrichtung (14) hinter dem Lichtbogen (4) und durch die Neigung zwischen dem Lichtbogen (4) und dem Schneidsauerstoffstrahl (8) wird der Schneidsauerstoffstrahl (8) in den Einflussbereich des Lichtbogens (4) geleitet, und zwar in dem Bereich, wo die Schneidenergie des Lichtbogens (4) nicht mehr für einen Trennschnitt oder hochwertigen Qualitätsschnitt ausreicht. Hier übernimmt dann der Schneidsauerstoffstrahl (8) die Schneidaufgabe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Schneiden eines metallischen Werkstückes mit einer einen Lichtbogen, insbesondere einen Plasmastrahl, führenden ersten Schneideinrichtung und einer einen Schneidsauerstoffstrahl führenden zweiten Schneideinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum thermischen Schneiden eines metallischen Werkstückes, bei welchem mittels eines Lichtbogens, insbesondere einem Plasmastrahl, eine Schnittfuge in dem Werkstück erzeugt und das Werkstück mittels eines in die Schnittfuge gerichteten Schneidsauerstoffstrahls, insbesondere einem autogenen Brennstrahl, durchtrennt wird.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist bereits aus der US 6,469,274 bekannt. Hierin wird eine Vorrichtung zum Schneiden eines metallischen Werkstücks beschrieben, welche einen Plasmastrahl und einen Sauerstoffstrahl aufweist. Der das Werkstück schneidende Sauerstoffstrahl ist senkrecht zum Werkstück und der das Werkstück auf die zum Schneiden durch den Sauerstoffstrahl erforderliche Temperatur bringende Plasmastrahl schräg zum Werkstück angeordnet. In Vorschubrichtung der Vorrichtung sind die beiden Strahlen nebeneinander angeordnet.

Bei dieser Vorrichtung erweist es sich als nachteilig, dass mittels des Plasmastrahls ausschließlich einer Erwärmung des Werkstücks auf die für das Schneiden mittels des Sauerstoffstrahls erforderliche Temperatur vorgenommen wird und das eigentliche Schneiden ausschließlich durch den Sauerstoffstrahl erfolgt. Hierdurch ergibt sich eine vergleichsweise ge ringe Schneidgeschwindigkeit der Vorrichtung in Verbindung mit einem erheblichen Sauerstoffverbrauch. Hinsichtlich der maximal zu schneidenden Blechdicken sind dieser Vorrichtung ebenfalls Grenzen gesetzt.

Weiterhin ist in der Praxis bereits ein Verfahren bekannt, bei welchem zunächst ein mittels eines Plasmabrenners erzeugter Plasmastrahl eine Schnittfuge in einem Werkstück erzeugt. Anschließend wird mittels eines Autogenbrenners ein Schneidsauerstoffstrahl in die Schnittfuge eingekoppelt, welcher den Schnitt vollendet, wobei sowohl zeitlich als auch räumlich ein gewisser Abstand zwischen den beiden Verfahrensschritten eingehalten wird, damit es zu keiner gegenseitigen Beeinflussung der beiden Schneidverfahren kommt. In der Praxis wird dieses Verfahren insbesondere beim Rückbau kerntechnischer Anlagen eingesetzt. Die hier verwendeten Bauteile weisen eine Sandwichstruktur mit Schichten aus unterschiedlichem Material auf. Beispielsweise weist ein solches Bauteil einen zweischichtigen Aufbau mit einer ersten Schicht aus Edelstahl auf, welche auf einer zweiten Schicht aus Baustahl angeordnet ist. Die erste Schicht wird mittels des Plasmastrahl und die zweite Schicht mittels des Sauerstoffstrahls bzw. des Autogenbrenners geschnitten. Die Parameter der einzelnen Schneidverfahren werden dabei auf das jeweilig zu schneidende Material angepasst.

Ebenfalls bereits bekannt ist das thermische Schneiden von Werkstücken mittels eines Plasmabrenners. Hierbei wird der Werkstoff durch einen Lichtbogen mit heißen Plasmagasen aufgeschmolzen.

Dabei erweist sich die maximal schneidbare Materialstärke von beispielsweise 70 bis 80 mm beim Sauerstoffplasmaschneiden als besonders nachteilig. Außerdem steigt mit zunehmender Materialstärke der benötigte Bedarf an elektrischer Energie und technischen Gasen überproportional an. Gleichzeitig fallen die Schneidgeschwindigkeit und die Schneidqualität überproportional stark ab. Die Anlagekosten steigen dagegen mit zunehmender Materialstärke stark an.

Außerdem ist das Schneiden von metallischen Werkstücken mittels des autogenen Brennschneidens bereit bekannt. Hierbei erfolgt das Schneiden des Werkstückes mittels eines von einer Heizflamme umhüllten Schneidsauerstoffstrahls.

Als besonders nachteilig erweist dich hierbei die vergleichsweise geringe Schneidgeschwindigkeit und der hohe Sauerstoff- und Brenngasverbrauch. Vor dem Schneiden mittels des Schneidsauerstoffstrahls muss die Werkstückoberfläche erst auf Zündtemperatur erwärmt werden, was je nach Material und Materialstärke einige Minuten dauern kann. Es hat sich außerdem als nachteilig erwiesen, dass mittels des autogenen Brennschneidens ausschließ lich Werkstücke aus brennschneidegeeignetem Material geschnitten werden kann. Sandwichstrukturen können nur dann geschnitten werden, wenn sie einen großen Schichtanteil an brennschneidegeeignetem Material aufweisen und auch nur dann, wenn sie von der richtigen Seite geschnitten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum thermischen Schneiden von metallischen Werkstücken zur Verfügung zu stellen, mittels welcher die Schneidgeschwindigkeit, die Schneidleistung und die Schneidqualtität erhöht werden kann. Gleichzeitig soll eine Möglichkeit geschaffen werden größere Materialstärken zu schneiden. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde das bekannte Verfahren zum thermischen Schneiden von metallischen Werkstücken zu vereinfachen und zu verbessern.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 14 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher die zweite Schneideinrichtung in einer Schneidrichtung der Vorrichtung derart hinter der ersten Schneideinrichtung angeordnet ist, dass der Schneidsauerstoffstrahl in eine durch den Lichtbogen erzeugte Schnittfuge einkoppelbar ist und dass eine Mittelachse des Schneidsauerstoffstrahls derart gegenüber einer Mittelachse des Lichtbogens geneigt ist, dass sich die Mittelachsen des Schneidsauerstoffstrahls und des Lichtbogens zwischen den Werkstückoberflächen kreuzen. Durch die Anordnung des Schneidsauerstoffstrahls in Schneidrichtung hinter dem Lichtbogen und durch die Neigung zwischen dem Lichtbogen und dem Schneidsauerstoffstrahl wird der Schneidsauerstoffstrahl in den Einflussbereich des Lichtbogens geleitet und zwar in dem Bereich wo die Schneidenergie des Lichtbogens nicht mehr für einen Trennschnitt oder hochwertigen Qualitätsschnitt ausreicht. Hier übernimmt der Schneidsauerstoffstrahl die Schneidaufgabe. Die durch den Lichtbogen erzeugte und vorhandene Wärme nutzt der Schneidsauerstoffstrahl aus, um mit erhöhter Reaktionsgeschwindigkeit einen kombinierten Oxidations- und Schmelzprozess zwischen dem Metall und Sauerstoff zu initiieren. Die Zündung der autogenen Oxidationsreaktion erfolgt durch das auf Zündtemperatur erhitzte Grundmaterial des Werkstücks bzw. durch die überhitzte Schmelze. Durch die lokale Werkstofferwärmung ergibt sich eine Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit des Schneidsauerstoffstrahls und dadurch, dass sowohl der Lichtbogen als auch der Schneidsauerstoffstrahl aktiv am Materialabtrag beteiligt ist, ergibt sich eine weitere Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit insgesamt, sowie der Schneidqualität. Die maximal trennbare Werkstückdicke wird mittels dieser Vorrichtung ebenfalls erhöht. Weiterhin wird mit dieser Vorrichtung auch das Schneiden von Sandwichstrukturen mit Schichten aus unterschiedlichen Materialien bzw. Materialeigenschaften ermöglicht, wodurch sich eine vielseitige Einsatzmöglichkeit der Vorrichtung ergibt. Da die Parameter des Lichtbogens bzw. des Schneidsauerstoffstrahls optimal an die Schneidaufgabe anpassbar sind, kann der Einsatz an elektrischer Energie und technischen Gasen optimiert werden, wodurch sich eine erhebliche Verringerung der Energiekosten ergibt. Weiterhin können die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Verwendung eines konventionellen Plasmabrenners bzw. einer konventionellen Sauerstoffschneiddüse reduziert werden.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass die Mittelachse des Lichtbogens senkrecht zur Werkstückoberfläche angeordnet ist. Hierdurch kann mittels des Lichtbogens eine hinsichtlich des Energieeintrags optimale Schnitttiefe im Werkstück erzeugt werden.

Dabei erweist es sich auch als besonders vorteilhaft, dass der Schneidsauerstoffstrahl derart gegenüber dem Lichtbogen geneigt ist, dass sich die Mittelachsen des Schneidsauerstoffstrahls und des Lichtbogens im Bereich, insbesondere unterhalb, eines Lichtbogenfußpunktes des Lichtbogens kreuzen. Hierdurch kann der Schneidsauerstoffstrahl genau an der Stelle in die Schneidfront des Lichtbogens eingekoppelt werden, wo die Schneidenergie des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls aufgrund verminderter thermischer Strahlung und abfallender kinetischer Gasenergie nicht mehr ausreicht, einen Trennschnitt oder hochwertigen Qualitätsschnitt durchzuführen. Bei einem oberhalb des Lichtbogenfußpunktes eingekoppelten Schneidsauerstoffstrahl würde der Schneidsauerstoffstrahl den Lichtbogen negativ beeinflussen, so dass dieser nicht seine maximale Leistung bzw. Schnitttiefe erreichen könnte.

Eine andere zweckmäßige Weiterbildung der Vorrichtung wird auch dadurch erreicht, dass ein Neigungswinkel zwischen der Mittelachse des Schneidsauerstoffstrahls und der Mittelachse des Lichtbogens variabel einstellbar ist. Hierdurch kann der Neigungswinkel zwischen den Mittelachsen der beiden Strahlen an die jeweils zu schneidende Werkstückstärke angepasst werden. Bei relativ dicken Werkstücken ist beispielsweise ein kleiner Neigungswinkel und bei dünnen Werkstücken entsprechend ein größerer Neigungswinkel vorteilhaft.

Eine wiederum abgewandelte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schneidsauerstoffstrahl von einer Heizflamme koaxial eingeschlossen ist. Der Schneidsauerstoffstrahl wird durch die ihn umgebene Heizflamme, welche durch eine Sauerstoff- Brenngasverbrennung erzeugt wird, unterstützt. Dies hat vor allem positive Auswirkungen auf die Strahlstabilität des Schneidsauerstoffstrahls und die Schneidgeschwindigkeit. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass ein konventioneller Autogenbrenner als zweite Schneideinrichtung eingesetzt werden kann, wodurch die Anschaffungs- und Betriebskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung erheblich gesenkt werden können.

In einer anderen besonders zweckmäßigen Abwandlung ist der Schneidsauerstoffstrahl von einem Gasmantel koaxial eingeschlossen. Hierdurch wird ebenfalls eine Stabilisierung des Schneidsauerstoffstrahls erreicht.

Auch besonders vorteilhaft ist eine Variante nach welcher mittels der zweiten Schneideinrichtung oder einer zusätzlichen Düse ein eine Schmelze mechanisch oder chemisch beeinflussender Zusatzstoff in den Bereich der Schnittfuge einbringbar ist. Der Zusatzstoff kann in flüssiger, gasförmiger oder pulverförmiger Form eingebracht werden und sorgt durch die Beeinflussung der Schmelze bzw. Schlacke vor allem für eine Steigerung der Schneidgeschwindigkeit.

Eine andere besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass die zweite Schneideinrichtung an der ersten Schneideinrichtung lösbar fixiert ist. Hierdurch kann die Vorrichtung gemeinsam entlang einer Schneidlinie verfahren werden, wodurch insbesondere gewährleistet ist, dass der Lichtbogen und der Schneidsauerstoffstrahl jederzeit den erforderlichen Abstand und die erforderliche Neigung aufweisen. Beispielsweise bei einem automatisierten Verfahren dann nur ein Handhabungselement mit entsprechender Antriebs- und Steuerungstechnik benötigt. Weiterhin können die Schneideinrichtungen beispielsweise im Falle eines notwendigen Verschleißteilewechsels schnell voneinander gelöst und wieder fixiert werden. Außerdem können die Schneideinrichtungen, wenn sie als konventioneller Plasmabrenner bzw. Autogenbrenner ausgestaltet sind auch einzeln und unabhängig voneinander für andere Schneidaufgaben eingesetzt werden. Hierdurch wird insbesondere die Variabilität der Vorrichtung erheblich gesteigert.

Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass die Vorrichtung ein Verbindungselement aufweist, mittels welcher die zweite Schneideinrichtung an der ersten Schneideinrichtung fixierbar ist. Durch das Verbindungselement wird eine schnelle und einfache Adaption einer Schneideinrichtung an der anderen Schneideinrichtung erreicht und die Verwendung von konventionellen Plasma- bzw. Autogenbrenner ermöglicht, wodurch die Herstellungskosten und Betriebskosten der Vorrichtung erheblich reduziert werden können.

In einer weiteren vorteilhaften Abwandlung weist das Verbindungselement eine Kulissenführung auf, in welcher die zweite Schneideinrichtung relativ zur ersten Schneideinrichtung verschiebbar gelagert ist. Durch die Kulissenführung wird eine einfache Verstellung des Neigungswinkels zwischen dem Lichtbogen und dem Schneidsauerstoffstrahl gewährleistet.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kulissenführung kreissegmentförmig ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung der Kulissenführung wird erreicht, dass immer ein optimaler Abstand zwischen der ersten Schneideinrichtung und der zweiten Schneideinrichtung und von den Schneideinrichtungen zum Werkstück eingehalten wird und zwar unabhängig von dem eingestellten Neigungswinkel. Hierdurch kann insbesondere eine thermische Schädigung der Schneideinrichtungen untereinander und eine Schädigung bzw. Zerstörung der Schneideinrichtungen durch ein Überschlagen eines Zündfunkens des Lichtbogens auf die zweite Schneideinrichtung verhindert werden.

Eine weitere besonders zweckmäßige Ausgestaltung wird dadurch geschaffen, dass der zweiten Schneideinrichtung ein isolierendes Halteelement oder/und eine Heizdüse aus einem isolierenden Material zugeordnet ist. Hierdurch wird ein Überschlagen des Zündfunkens des Lichtbogens auf den Sauerstoffschneidstrahl bzw. den Autogenbrenner und eine damit verbundene Schädigung der Schneideinrichtungen verhindert. Durch diese Isolierung erfolgt also eine elektrische Trennung zwischen der zweiten Schneideinrichtung und der Steuerelektronik der Führungsmaschine. Vorteilhafterweise besteht das Halteelement oder die Heizdüse aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff, aus Keramik oder aus einem hochtemperaturfesten isolierend beschichteten Metall.

Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn das Halteelement die zweite Schneideinrichtung in der Kulissenführung des Verbindungselementes lagert. Hierdurch werden zwei Aufgaben, nämlich die Lagerung des zweiten Schneidelementes und die elektrische Trennung zwischen Schneideinrichtung und Führungsmaschine in einem Bauteil vereinigt.

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die Unteransprüche 16 bis 20 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen des Verfahrens.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei welchem der Schneidsauerstoffstrahl derart in die Schnittfuge eingeleitet wird, dass sich eine Mittelachse des Lichtbogens und eine Mittelachse des Schneidsauerstoffstrahls in einer gemeinsamen Wirkzone im Werkstück schneiden. Bei diesem Verfahren sind sowohl der Lichtbogen als auch der Schneidsauerstoffstrahl aktiv am Materialabtrag beteiligt. Neben der Schneidleistung des Lichtbogens wird dessen thermische Restenergie dazu genutzt, um das Werkstück in einem räumlich eingegrenzten Bereich, der gemeinsamen Wirkzone des Lichtbogens und des Schneidsauerstoffstrahls, auf Zündtemperatur zu erwärmen. Diese Wärme wird dann von dem Schneidsauerstoffstrahl dazu genutzt, um mit erhöhter Schneidgeschwindigkeit einen vollständigen Trennschnitt durchzuführen. Neben der Steigerung der Schneidgeschwindigkeit ist es auf diesem Wege auch möglich, Materialstärken und Materialzusammensetzungen zu schneiden, welche ohne den erfindungsgemäßen kombinierten Einsatz des Lichtbogens und des Schneidsauerstoffstrahls nicht getrennt werden könnten.

Eine weitere besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass sich der Schneidsauerstoffstrahl und der Lichtbogens unterhalb eines Lichtbogenfußpunktes schneiden. Hierdurch befindet sich der Treffpunkt des Lichtbogens und des Schneidsauerstoffstrahls- die gemeinsame Wirkzone- räumlich in dem Punkt der Schneidfront des Lichtbogens, wo die Schneidenergie des Plasmastrahls, aufgrund verminderter thermischer Strahlung und abfallender kinetischer Gasenergie, nicht mehr für einen Trennschnitt oder einen hochwertigen Qualitätsschnitt ausreicht. Dort übernimmt der Schneidsauerstoffstrahl die Schneidaufgabe, wobei diese durch lokal erhöhte Werkstoff- bzw. Werkstücktemperatur mit erhöhter Schneidgeschwindigkeit ablaufen kann.

Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, wenn der Lichtbogen senkrecht zu einer Werkstückoberfläche und der Schneidsauerstoffstrahl mit einer Neigung relativ zum Lichtbogen in die Wirkzone eingekoppelt werden. Durch den senkrecht zur Werkstückoberfläche auf das Werkstück einwirkenden Lichtbogen wird eine Schnittfuge mit einer maximalen Schnitttiefe erzeugt. Aufgrund der Neigung des Schneidsauerstoffstrahls kann der Abstand zwischen den Prozessorten des Lichtbogens und des Schneidsauerstoffstrahls bei maximaler horizontaler Annäherung der beiden Schneideinrichtungen weiter minimiert werden. Durch diese Minimierung des Abstandes wird der Wärmeverlust im Werkstück vor dem Eingriff des Schneidsauerstoffstrahls begrenzt, so dass eine maximale Schneidgeschwindigkeit des Schneidsauerstoffstrahls gewährleistet werden kann.

Nach einer anderen besonders effektiven Variante des Verfahrens wird ein Neigungswinkel zwischen dem Lichtbogen und dem Schneidsauerstoffstrahl in Abhängigkeit einer Werkstückstärke und/oder eines Werkstoffes verändert. Hierdurch wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt welches überaus variabel bei unterschiedlichen Werkstückstärken und unterschiedlichen Werkstoffen eingesetzt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass der Schneidsauerstoffstrahl zusammen mit einer den Schneidsauerstoffstrahl umhüllenden Heizflamme in die Wirkzone eingeleitet wird. Durch die Sauerstoff-Brenngasverbrennung der Heizflamme wird eine Stabilisierung des Sauerstoffschneidstrahls erreicht und die Schneidgeschwindigkeit positiv beeinflusst.

Nach einer Abwandlung des Verfahrens wird der Schneidsauerstoffstrahl zusammen mit einem den Schneidsauerstoffstrahl umhüllenden Gasmantel in die Wirkzone eingeleitet, wodurch ebenfalls eine Stabilisierung des Schneidsauerstoffstrahls erreicht wird.

Weiterhin besonders vorteilhaft ist eine Variante nach welcher ein insbesondere pulverförmiger, gasförmiger oder flüssiger Zusatzstoff in die Wirkzone eingeleitet wird. Durch die Zusatzstoffe wird die Schmelze bzw. Schlacke chemisch und/oder mechanisch derart beeinflusst, dass die Schneidgeschwindigkeit gesteigert werden kann.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum thermischen Schneiden eines metallischen Werkstückes während des Schneidprozesses;
2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer teilweise geschnittenen Darstellung.
1 zeigt eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Schneiden eines metallischen Werkstückes 2 während des Schneidprozesses. Die Vorrichtung 1 weist eine als Plasmabrenner ausgebildete erste Schneideinrichtung 3 auf, mittels welcher ein Lichtbogen 4 auf eine Werkstückoberfläche 5 gerichtet wird und im Werkstück 2 eine Schnittfuge 6 erzeugt. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine zweite geneigt zur ersten Schneideinrichtung 3 angeordnete und als Autogenbrenner ausgebildete zweite Schneideinrichtung 7 auf, welche in die von der ersten Schneideinrichtung 3 erzeugte Schnittfuge 6 eingekoppelt wird. Durch diese zweite Schneideinrichtung 7 wird ein Schneidsauerstoffstrahl 8 derart auf das Werkstück 2 bzw. in die Schnittfuge 6 gerichtet, dass sich eine Mittelachse 9 des Lichtbogens 4 und eine Mittelachse 10 des Schneidsauerstoffstrahls 8 zwischen den Werkstückoberflächen 5, 11, also im Werkstück 2 in einer gemeinsamen Wirkzone 12 kreuzen. Vorteilhafterweise schneiden sich der Lichtbogen 4 und der Schneidsauerstoffstrahl 8 im Bereich des Lichtbogenfußpunktes 13. Wenn die Vorrichtung 1 in Schneidrichtung 14 bewegt wird, erzeugt der Lichtbogen 4 zunächst eine Schnittfuge 6 in einem der Vorrichtung 1 zugewandten Bereich 15 des Werkstücks 2. Der Schneidsauerstoffstrahl 8 führt dann in einem der Vorrichtung abgewandten Bereich 16 des Werkstückes 2, wenn die Schneidenergie des Lichtbogens 4 nicht mehr ausreicht, einen Trennschnitt durch. Durch eine variable Verstellung des zwischen der Mittelachse 9 des Lichtbogens 4 und der Mittelsachse 10 des Schneidsauerstoffstrahls 8 eingeschlossenen Neigungswinkels 17 kann der Treffpunkt des Lichtbogens 4 und des Schneidsauerstoffstrahls 8, also die räumliche Anordnung der gemeinsamen Wirkzone 12, auf die zu schneidende Werkstückstärke 18 angepasst werden.
Die 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einer teilweise geschnittenen Darstellung. Die zweite Schneideinrichtung 7 ist mittels eines Verbindungselementes 19 lösbar an der ersten Schneideinrichtung 3 fixiert. Um das Verbindungselement 19 mitsamt der zweiten Schneideinrichtung 7 an der ersten Schneideinrichtung 3 zu fixieren weist das Verbindungselement 19 eine auf die Form der ersten Schneideinrichtung 3 abgestimmte Fixiereinrichtung 20 auf. Das Verbindungselement 19 kann durch Stecken, Schrauben, Klemmen etc., an der ersten Schneideinrichtung 3 adaptiert werden. Zur Verstellung des Neigungswinkels 17 zwischen der Mittelachse 9 des in der 2 nicht dargestellten Lichtbogens 4 und der Mittelachse 10 des ebenfalls nicht dargestellten Schneidsauerstoffstrahls 8 weist die Vorrichtung 1 bzw. das Verbindungselement 19 eine Kulissenführung 21 auf. Die zweite Schneideinrichtung 7 weist ein Halteelement 22 auf welches in der kreissegmentförmig ausgebildeten Kulissenführung 21 des Verbindungselementes 19 beweglich gelagert ist. Durch die kreissegmentförmige Kulissenführung 21 bewegt sich die zweite Schneideinrichtung 7 im Verbindungselement 19 auf einer speziellen Bahnkurve, die sicher stellt, dass immer ein optimaler Abstand zwischen der ersten Schneideinrichtung 3 und der zweiten Schneideinrichtung 7 gewährleistet ist und zwar unabhängig vom eingestellten Neigungswinkel 17. Hierdurch kann eine thermische Schädigung der Schneideinrichtungen 3, 7 untereinander verhindert werden. Das Halteelement 22 besteht aus einem hochtemperaturfesten isolierendem Kunststoff, aus Keramik oder aus einem isolierend beschichteten Metall, um ein Überschlagen eines Zündfunkens des Lichtbogens 4 von der ersten Schneideinrichtung 3 auf die zweiten Schneideinrichtung 7 zu verhindern. Alternativ kann eine Heizdüse 27 der Schneidenrichtung 7 aus einem beschichteten hochtemperaturfesten isolierenden Material bestehen, um das Überschlagen eines Zündfunkens des Lichtbogens 4 zu verhindern. Die erste Schneideinrichtung 3 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als konventioneller Plasmabrenner 23 ausgebildet, an welchem mittels des Verbindungselementes 19 eine als Autogenbrenner 24 ausgebildete zweite Schneideinrichtung 7 fixiert werden kann. Die zweite Schneideinrichtung 7 bzw. der Autogenbrenner 24 weist einen Gasinjektor 25 auf mittels welchem über flexible und hochtemperaturfeste Hochdruckschläuche 26 die für den Schneidprozess benötigten Gase zur zweiten Schneideinrichtung 7 geführt werden. Dabei handelt es sich zum einen um ein Brenngas-Sauerstoff-Gemisch für die Erzeugung der beim autogenen Brennschneiden erforderlichen Heizflamme und zum anderen um Sauerstoff für die Erzeugung des Schneidsauerstoffstrahls 8. Beim Schneiden eines in der 2 nicht dargestellten Werkstückes 2 wird die Vorrichtung 1 manuell oder automatisiert in einer Schneidrichtung 14 entlang der gewünschten Schneidlinie bewegt.

Claims

Vorrichtung (1) zum thermischen Schneiden eines metallischen Werkstückes (2) mit einer einen Lichtbogen (4), insbesondere einen Plasmastrahl, führenden ersten Schneideinrichtung (3) und einer einen Schneidsauerstoffstrahl (8) führenden zweiten Schneideinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schneideinrichtung (7) in einer Schneidrichtung (14) der Vorrichtung (1) derart hinter der ersten Schneideinrichtung (3) angeordnet ist, dass der Schneidsauerstoffstrahl (8) in eine durch den Lichtbogen (4) erzeugte Schnittfuge (6) einkoppelbar ist und dass eine Mittelachse (10) des Schneidsauerstoffstrahls (8) derart gegenüber einer Mittelachse (9) des Lichtbogens (4) geneigt ist, dass sich die Mittelachsen (9, 10) des Schneidsauerstoffstrahls (8) und des Lichtbogens (4) zwischen den Werkstückoberflächen (5, 11) kreuzen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (9) des Lichtbogens (4) senkrecht zur Werkstückoberfläche (5) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidsauerstoffstrahl (8) derart gegenüber dem Lichtbogen (4) geneigt ist, dass sich die Mittelachsen (9, 10) des Schneidsauerstoffstrahls (8) und des Lichtbogens (4) im Bereich, insbesondere unterhalb, eines Lichtbogenfußpunktes (13) des Lichtbogens (4) kreuzen.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel (17) zwischen der Mittelachse (10) des Schneidsauerstoffstrahls (8) und der Mittelachse (9) des Lichtbogens (4) variabel einstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidsauerstoffstrahl (8) von einer Heizflamme koaxial eingeschlossen ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidsauerstoffstrahl (8) von einem Gasmantel koaxial eingeschlossen ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zweiten Schneideinrichtung (7) oder einer zusätzlichen Düse ein eine Schmelze mechanisch oder chemisch beeinflussender Zusatzstoff in den Bereich der Schnittfuge (6) einbringbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schneideinrichtung (7) an der ersten Schneideinrichtung (3) lösbar fixiert ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Verbindungselement (19) aufweist, mittels welcher die zweite Schneideinrichtung (7) an der ersten Schneideinrichtung (3) fixierbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (19) eine Kulissenführung (21) aufweist, in welcher die zweite Schneideinrichtung (7) relativ zur ersten Schneideinrichtung (3) verschiebbar gelagert ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenführung (21) kreissegmentförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Schneideinrichtung (7) ein isolierendes Halteelement (22) oder/und eine Heizdüse (27) aus einem isolierenden Material zugeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (22) die zweite Schneideinrichtung (7) in der Kulissenführung (21) des Verbindungselementes (19) lagert.
Verfahren zum thermischen Schneiden eines metallischen Werkstückes, bei welchem mittels eines Lichtbogens, insbesondere einem Plasmastrahl, eine Schnittfuge in dem Werkstück erzeugt und das Werkstück mittels eines in die Schnittfuge gerichteten Schneidsauerstoffstrahls, insbesondere einem autogenen Brennstrahl, durchtrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidsauerstoffstrahl derart in die Schnittfuge eingeleitet wird, dass sich eine Mittelachse des Lichtbogens und eine Mittelachse des Schneidsauerstoffstrahls in einer gemeinsamen Wirkzone im Werkstück schneiden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schneidsauerstoffstrahl und der Lichtbogens unterhalb eines Lichtbogenfußpunktes schneiden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen senkrecht zu einer Werkstückoberfläche und der Schneidsauerstoffstrahl mit einer Neigung relativ zum Lichtbogen in die Wirkzone eingekoppelt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel zwischen dem Lichtbogen und dem Schneidsauerstoffstrahl in Abhängigkeit einer Werkstückstärke und/oder eines Werkstoffes verändert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidsauerstoffstrahl zusammen mit einer den Schneidsauerstoffstrahl umhüllenden Heizflamme in die Wirkzone eingeleitet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidsauerstoffstrahl zusammen mit einem den Schneidsauerstoffstrahl umhüllenden Gasmantel in die Wirkzone eingeleitet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere pulverförmiger, gasförmiger oder flüssiger Zusatzstoff in die Wirkzone eingeleitet wird.