DE102004049445A1 - plasma torch - Google Patents
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Abstract
Plasmabrenner mit: einem Brennerkörper, einer im Brennerkörper angeordneten Elektrode, einer Düse, die eine zentrale Düsenöffnung aufweist und so angeordnet ist, dass sie die Elektrode durch einen Plasmagaskanal getrennt abdeckt, der zwischen diesen gebildet ist, einer Düsenschutzkappe, die eine an ihrer vorderen Endseite angeordnete, der Düsenöffnung gegenüberliegende Austrittsöffnung und einen ringförmigen Sekundärgaskanal innerhalb der Düsenschutzkappe aufweist, der mit der Austrittsöffnung in Verbindung steht, wobei die Düsenschutzkappe bezüglich der Elektrode und der Düse elektrisch isoliert angeordnet ist, und einem Sekundärgasführungsteil, das mindestens einen Durchlaß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärgasführungsteil im Sekundärgaskanal zwischen einem Sekundärgaseinlaß und dem vorderen Ende des Sekundärgaskanals angeordnet ist und der Sekundärgaskanal zwischen dem Sekundärgasführungsteil und seinem vorderen Ende derart ausgebildet ist, daß er das Sekundärgas SG nach dem Passieren des Sekundärgasführungsteils und eines zur Längsachse L des Plasmabrennners im wesentlichen parallelen Sekundärgaskanalteils schräg zur Längsachse L des Plasmabrenners in Richtung zum vorderen Ende des Plasmabrenners führt und danach unter einem im wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse L des Plasmabrenners einem Plasmastrahl zuführt.A plasma torch comprising: a burner body, an electrode disposed in the burner body, a nozzle having a central nozzle opening and arranged to cover the electrode separated by a plasma gas channel formed therebetween, a nozzle protective cap, one at its front end side arranged, the nozzle opening opposite the outlet opening and an annular secondary gas channel within the nozzle cap, which is in communication with the outlet opening, wherein the nozzle cap is electrically isolated with respect to the electrode and the nozzle, and a secondary gas guide member having at least one passage, characterized the secondary gas guide part is arranged in the secondary gas channel between a secondary gas inlet and the front end of the secondary gas channel and the secondary gas channel is formed between the secondary gas guide part and its front end i st, that it passes the secondary gas SG after passing the Sekundärgasführungsteils and a longitudinal axis L of the plasma torch substantially parallel Sekundärgaskanalteils obliquely to the longitudinal axis L of the plasma torch towards the front end of the plasma torch and then at a substantially right angle to the longitudinal axis L of the plasma torch to a plasma jet.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plasmabrenner gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, der sowohl zum Trockenschneiden als auch Unterwasserschneiden verschiedener metallischer Werkstücke dient.The The present invention relates to a plasma torch according to the preamble of claim 1, suitable for both dry cutting and underwater cutting serves different metallic workpieces.
Beim Plasmaschneiden wird zunächst ein Lichtbogen (Pilotlichtbogen) zwischen einer Kathode (Elektrode) und Anode (Düse) gezündet und danach direkt auf ein Werkstück übertragen, um damit einen Schnitt herzustellen.At the Plasma cutting is first an arc (pilot arc) between a cathode (electrode) and anode (nozzle) ignited and then transferred directly to a workpiece, to make a cut with it.
Dieser Lichtbogen erzeugt ein Plasma, das ein thermisch hochaufgeheiztes, elektrisch leitfähiges Gas ist, welches aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht.This Arc creates a plasma that is a thermally highly heated, electrically conductive Gas is made up of positive and negative ions, electrons as well excited and neutral atoms and molecules.
Als Plasmagas werden Gase wie Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Diese Gase werden durch die Energie des Lichtbogens ionisiert und dissoziiert. Der daraus entstehende Plasmastrahl wird zum Schneiden des Werkstücks eingesetzt.When Plasma gases become gases such as argon, hydrogen, nitrogen, oxygen or air used. These gases are generated by the energy of the arc ionized and dissociated. The resulting plasma jet is for cutting the workpiece used.
Ein moderner Plasmabrenner entsteht aus Grundbauteilen wie Brennerkörper, Elektrode (Kathode), Düse, eine oder mehrere Schutzkappen, welche die Düse umgeben, sowie die Verbindungen, die zur Versorgung des Brenners mit Strom, Gasen und/oder Flüssigkeiten dienen.One modern plasma torch is made of basic components such as torch body, electrode (Cathode), nozzle, one or more protective caps surrounding the nozzle and the connections, to supply the burner with electricity, gases and / or liquids serve.
Die Düse kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen. Bei direkt wassergekühlten Brennern wird die Düse von einer Düsenkappe gehalten. Zwischen der Düse und Düsenkappe strömt Kühlwasser. Das Sekundärgas strömt zwischen der Düse und Schutzkappe.The Nozzle can consist of one or more parts. For direct water cooled burners becomes the nozzle from a nozzle cap held. Between the nozzle and nozzle cap flows Cooling water. The secondary gas flows between the nozzle and Protective cap.
Bei gasgekühlten Brennern und indirekt wassergekühlten Brennern kann die Düsenkappe entfallen. Dann strömt das Sekundärgas zwischen der Düse und Schutzkappe.at gas-cooled Burners and indirectly water-cooled Burners can be the nozzle cap omitted. Then it flows the secondary gas between the nozzle and protective cap.
Die Elektrode und die Düse sind zueinander in einem bestimmten räumlichen Verhältnis angeordnet und begrenzen einen Raum – die Plasmakammer, in der dieser Plasmastrahl erzeugt wird. Der Plasmastrahl kann in seinen Parametern wie z.B. Durchmesser, Temperatur, Energiedichte und Durchflussrate des Plasmagases durch die Gestaltung der Düse und Elektrode stark beeinflusst werden.The Electrode and the nozzle are arranged to each other in a certain spatial relationship and limit a space - the Plasma chamber in which this plasma jet is generated. The plasma jet can in its parameters such as. Diameter, temperature, energy density and flow rate of the plasma gas through the design of the nozzle and electrode be strongly influenced.
Für die unterschiedlichen Plasmagase werden die Elektroden und Düsen aus unterschiedlichen Materialen und in verschiedenen Formen hergestellt.For the different ones Plasma gases are the electrodes and nozzles of different materials and made in different shapes.
Düsen werden in der Regel aus Kupfer hergestellt und direkt oder indirekt wassergekühlt. Je nach Schneidaufgabe und elektrischer Leistung des Plasmabrenners werden Düsen eingesetzt, die unterschiedliche Innenkonturen und Öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen und damit die optimalen Schneidergebnisse liefern.Be nozzles usually made of copper and water cooled directly or indirectly. Depending on Cutting task and electrical power of the plasma torch Nozzles inserted, the different inner contours and openings with different Have diameters and thus the best cutting results deliver.
Um eine Düse während des Schneidprozesses vor der Wärme und herausspritzendem geschmolzenem Metall des Werkstücks zu schützen, werden Düsen durch Schutzkappen umschlossen. Durch den Zwischenraum zwischen Düse und Schutzkappe strömt ein Sekundärgas. Dieses dient zur Schaffung einer definierten Atmosphäre, zur Einschnürung des Plasmastrahls und den Schutz vor Spritzen beim Einstechen.Around a nozzle while the cutting process from the heat and to protect the workpiece from spattering molten metal Through nozzles Protective caps enclosed. Through the gap between the nozzle and protective cap flows a secondary gas. This serves to create a defined atmosphere, to constriction the plasma jet and protection against splashing during piercing.
In
der Patentanmeldung
Um
die Oxidation der Schnittflächen
durch eine Reaktion mit dem in der Umgebungsluft befindlichen Sauerstoff
zu verhindern, spielt die Auswahl des Sekundärgases eine wichtige Rolle.
In der früheren
Patentanmeldung
Im
Plasmabrenner nach dem Patent
Im
Patent
In den oben genannten Beispielen ergibt sich der Nachteil, dass der Plasmastrahl durch das direkte Anströmen mit dem Sekundärgas, insbesondere bei einem Sekundärgasvolumenstrom, der größer als der Plasmagasvolumenstrom ist, instabil wird. Die Instabilität macht sich vor allem beim Überfahren von technologisch bedingten Schnittfugen und bei Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen, wie z.B. an Ecken und am Schneidbeginn bemerkbar. Beim Überfahren einer Schnittfuge stabilisiert sich der Schneidlichtbogen nur langsam. Es kommt zum Schwingen des Schneidlichtbogens. Dieses Schwingen bildet sich auf der entstehenden Schnittkante ab und führt so zu einer Qualitätsverschlechterung.In The above examples give the disadvantage that the Plasma jet by the direct flow of the secondary gas, in particular at a secondary gas volume flow, the bigger one than that Plasma gas volume flow is unstable. The instability makes especially when driving over of technologically conditioned kerfs and directional and Speed changes, such as. noticeable at corners and at the beginning of cutting. When driving over a kerf stabilizes the cutting arc only slowly. It comes to swinging the cutting arc. This swing Forms on the resulting cut edge and leads to it a quality deterioration.
In
Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Düsenmund nur unzureichend vor hochspritzendem Metall insbesondere beim Einstechen des Plasmastrahls in das Werkstück geschützt ist. Wei terhin kann das Sekundärgas nicht gezielt in den Plasmastrahl gelenkt werden, um eine gute Schnittqualität zu erreichen.disadvantage This method is that the nozzle mouth is insufficient before high-spray metal especially when piercing the plasma jet into the workpiece protected is. Wei terhin, the secondary gas can not be directed specifically into the plasma jet, in order to achieve a good quality of cut.
Bei
bestimmten Gaskombinationen ist die aktive Teilnahme des Sekundärgases am
Plasmaprozess gewünscht.
Dies gilt z.B. für
das Schneiden von Edelstählen
mit einem ArH2 – Gemisch als Plasmagas und
Stickstoff als Sekundärgas.
Hier wirkt das Sekundärgas
Stickstoff nicht nur als Schutzgas, um die Schnittflächen von
dem oxidierenden Sauerstoff in der Umgebungsluft zu schützen, sondern
nimmt auch aktiv am Plasmaprozess teil. Es verringert die Oberflächenspannung
der Schmelze, diese wird dünnflüssiger und
besser aus der Schnittfuge ausgetrieben. Es entsteht ein bartfreier
Schnitt. Mit der in
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Dabei sollen die Funktionen des Sekundärgases, wie Schutz vor hochspritzendem Metall, Schaffung einer definierten Atmosphäre um den Plasmastrahl und die aktive Teilnahme des Sekundärgases am Plasmaprozess gewährleistet sein, ohne den Plasmastrahl in seiner Stabilität zu beeinflussen.Of the Invention is therefore based on the object, the disadvantages described of the prior art. Here are the functions the secondary gas, like protection from high-splash metal, creating a defined the atmosphere around the plasma jet and the active participation of the secondary gas at Plasma process ensured without affecting the stability of the plasma jet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Plasmabrenner durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 gelöst.According to the invention this Task in the generic plasma torch by the features according to the label of claim 1 solved.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.The under claims relate to advantageous developments of the invention.
Durch die Erfindung wird ein homogener Sekundärgasstrom erzeugt. Dieser homogene Sekundärgasstrom führt zu einer Stabilisierung des Plasmastrahls. Dadurch wird das Schwingen des Schneidlichtbogens in schwer zu beherrschenden technologisch bedingten Schneidsituationen, wie z.B. Überfahren der Schnittfuge und der Ecke sowie Schneidbeginn verhindert.By the invention produces a homogeneous secondary gas flow. This homogeneous Secondary gas flow leads to a stabilization of the plasma jet. This will cause the swing of the cutting arc in hard-to-control technological conditional cutting situations, such as Driving over the kerf and prevents the corner and cutting start.
Dadurch entstehen eine wesentliche Verbesserung der Qualität des Schnittes sowie eine höhere Schneidgeschwindigkeit.Thereby result in a significant improvement in the quality of the cut and a higher cutting speed.
Untersuchungen haben nämlich ergeben, dass die beschriebenen Nachteile durch eine neue Form der Sekundärgaszuführung beseitigt werden können. Hierdurch werden die Vorteile des Sekundärgases, wie Einschürung des Plasmastrahls, Schutz der Düse vor hochspritzendem Metall beim Einstechen, Schaffung einer definierten Atmosphäre um den Plasmastrahl und die aktive Teilnahme des Sekundärgases am Plasmaprozess weiter genutzt und gleichzeitig die Stabilität des Plasmastrahls gesichert.investigations namely have revealed that the disadvantages described by a new form of Secondary gas supply eliminated can be. As a result, the advantages of the secondary gas, such as Einhürung of the Plasma jet, protection of the nozzle before high-splash metal during grooving, creating a defined Atmosphere around the plasma jet and the active participation of the secondary gas at Plasma process continues to be used while maintaining the stability of the plasma jet secured.
In einer besonderen Ausführungsform wird das Sekundärgas über ein Sekundärgasführungsteil in den Sekundärgaskanal geführt derart, dass die Sekundärgasströmung zunächst auf eine nahezu zylindrische erste Mantelfläche der Düse beziehungsweise Düsenkappe, die parallel zur Längsachse des Plasmabrenners gerichtet ist, trifft. Danach wird das Sekundärgas über den Sekundärgaskanalteil, der durch nahezu kegelförmige Mantel- bzw. Innenflächen der Düse beziehungsweise der Düsenkappe und Düsenschutzkappe begrenzt ist, zum vorderen Ende des Plasmabrenners geführt und dann in einem Winkel von nahezu 90° zur Längsachse des Plasmabrenners einem Plasmastrahl zugeführt. Es wird angenommen, dass die besonders gute Homogenität des Sekundärgases, d.h. die besonders gute Verteilung um einen Plasmastrahl, dadurch erreicht wird, daß die Sekundärgasströmung das Sekundärgasströmung zunächst einmal in einer sich im wesentlichen im rechten Winkel zur Längsachse des Plasmabrenners erstreckenden Ebene auf die Mantelfläche der Düse beziehungsweise der Düsenkappe trifft und daß vom vorderen Ende des Plasmabrenners weiter zurückgesetzt ist und somit das Sekundärgas zusätzlich mehr Zeit hat, um sich zu verteilen.In a particular embodiment is the secondary gas is guided via a secondary gas guide part into the secondary gas channel in such a way that the secondary gas flow first strikes a virtually cylindrical first lateral surface of the nozzle or nozzle cap which is directed parallel to the longitudinal axis of the plasma burner. Thereafter, the secondary gas is passed through the secondary gas channel part, which is bounded by almost conical mantle or inner surfaces of the nozzle or the nozzle cap and nozzle cap, to the front end of the plasma torch and then fed at an angle of almost 90 ° to the longitudinal axis of the plasma torch a plasma jet. It is assumed that the particularly good homogeneity of the secondary gas, ie the particularly good distribution around a plasma jet, is achieved by initially directing the secondary gas flow onto the lateral surface of the plane extending substantially at right angles to the longitudinal axis of the plasma torch Nozzle or the nozzle cap hits and that is further reset from the front end of the plasma torch and thus the secondary gas has additional time to disperse.
Vorteilhaft ist es auch, das Sekundärgas durch eine geeignete Ausführung des Sekundärgasführungsteils, z.B. durch Versatz der Durchlässe rotieren zu lassen. Dann erfolgt die Zufuhr des Sekundärgases zum Plasmastrahl nicht radial, sondern tangential. Der Plasmastrahl wird bei dieser Anordnung durch die große Homogenität der Sekundärgasströmung nicht instabil, sondern behält auch in Übergangsphasen seine Stabilität.Advantageous it is also through, the secondary gas a suitable design the secondary gas guide part, e.g. by displacement of the passages to rotate. Then, the supply of the secondary gas to Plasma jet not radial, but tangential. The plasma jet is not in this arrangement by the large homogeneity of the secondary gas flow unstable but retains also in transition phases its stability.
Verstärkt wird dieser Effekt noch, wenn nach Passieren des Sekundärgasführungsteils das Sekundärgas zunächst nicht nur auf die nahezu zylindrische erste Mantelfläche der Düse beziehungsweise der Düsenkappe trifft, sondern gleichzeitig in eine Entspannungsraumerweiterung strömt, die eine größere Entspannung des Sekundärgases zulässt, bevor das Sekundärgas dann über die kegelförmigen Mantel- bzw. Innenflächen dem Plasmastrahl radial oder tangential zugeführt wird. In diesem Falle verfügt dieser Bereich der Düsenkappe mit Entspannungsraumerweiterung über einen geringeren Durchmesser als der Beginn des nachfolgenden kegelförmigen Abschnitts.Reinforced this effect still, if after passing the secondary gas guide part the secondary gas first not only on the almost cylindrical first lateral surface of the Nozzle or the nozzle cap but at the same time in a relaxation room extension flows, the greater relaxation of the secondary gas allows, before the secondary gas then over the conical jacket or inner surfaces the plasma jet is supplied radially or tangentially. In this case, this has Area of the nozzle cap with relaxation room extension over a smaller diameter than the beginning of the subsequent conical section.
Wird ein gasgekühlter oder indirekt wassergekühlter Plasmabrenner verwendet, entfällt oftmals die Düsenkappe. Dann übernimmt die Düse die raumbegrenzende Aufgabe der Düsenkappe. Die Düse ist in diesem Fall geometrisch so wie die Düsenkappe ausgebildet. Damit werden die Vorteile der Erfindung auch in dieser Plasmabrennervariante garantiert.Becomes a gas cooled or indirectly water cooled Plasma torch used, not applicable often the nozzle cap. Then take over the nozzle the space-limiting task of the nozzle cap. The nozzle is in this case geometrically formed as the nozzle cap. In order to The advantages of the invention are also in this plasma torch variant guaranteed.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:Further Features and advantages of the invention will be apparent from the claims and from the description below, in the embodiments with reference to schematic drawings are explained in detail. Showing:
Ein
ringförmiges
Sekundärgasführungsteil
Die
Duchlässe
Die
Neigung der nahezu zylindrischen ersten Mantelfläche der Düsenkappe
Die Übergänge zwischen
den ersten und zweiten Mantelflächen
der Düsenkappe
Die in der vorangehenden 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.The in the foregoing description, in the drawings and in the claims disclosed features of the invention can both individually and also in any combination for the realization of the invention in its various embodiments be essential.
- 11
- Plasmabrennerplasma torch
- 22
- Brennerkörpertorch body
- 33
- Elektrodeelectrode
- 44
- Düsejet
- 4a4a
- Düsenöffnungnozzle opening
- 55
- Düsenkappenozzle cap
- 5a5a
- Erster Abschnittfirst section
- 5b5b
- Zweiter Abschnittsecond section
- 66
- Plasmakammerplasma chamber
- 6a6a
- PlasmagaskanalPlasma gas channel
- 77
- DüsenschutzkappeNozzle cap
- 7a7a
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 7b7b
- Innenflächepalm
- 88th
- SekundärgasführungsteilSecondary gas guide part
- 8a8a
- DurchlaßPassage
- 8b8b
- SekundärgaseinlaßSecondary gas inlet
- 99
- SekundärgaskanalSecondary gas channel
- 9a9a
- SekundärgaskanalteilSecondary gas passage part
- 1010
- EntspannungsraumerweiterungRelaxation room extension
- 1111
- Raumroom
- LL
- Längsachselongitudinal axis
- PGPG
- Plasmagasplasma gas
- SGSG
- Sekundärgassecondary gas
- WVWV
- Wasservorlaufwater flow
- WRWR
- WasserrücklaufWater return
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