DE102008057688A1

DE102008057688A1 - Gasgemisch

Info

Publication number: DE102008057688A1
Application number: DE200810057688
Authority: DE
Inventors: Ernst Miklos
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2010-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasgemisch, einen Druckbehälter, der das Gasgemisch enthält, die Verwendung des Gasgemisches beim Schneiden mittels Plasma und/oder Laser, ein Verfahren, welches das Gasgemisch einsetzt, eine Vorrichtung zum Bereitstellen des Gasgemisches und ein Verfahren zur Herstellung des Gasgemisches, wobei das Gasgemisch einen Zusatz aus einem gasförmigen Kohlenwasserstoff enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Gasgemisch, einen Druckbehälter, der das Gasgemisch enthält, und die Verwendung des Gasgemisches, ein Verfahren, welches das Gasgemisch verwendet, eine Vorrichtung zum Bereitstellen des Gasgemisches an der Arbeitsstelle sowie ein Verfahren zur Herstellung des Gasgemisches.
Stand der Technik
Herkömmlich werden beim Schneiden mittels Plasma und/oder Laser meist Gasgemische verwendet, die hauptsächlich Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff oder deren Mischungen umfassen.
Acetylen (Ethin) wurde bisher in Verbindung mit Sauerstoff zum Gasschmelzschweißen (”autogenen Schweißen”) verwendet.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Gasgemisch, umfassend ein Gemisch von Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxid oder Wasserstoff oder deren Mischungen mit einem unter Normalbedingungen gasförmigen Kohlenwasserstoff.
Das erfindungsgemäße Gasgemisch kann ferner Dotiermengen von NO und/oder N₂O und oder O₂ enthalten.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Druckbehälter, der das Gasgemisch enthält.
In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des Gasgemisches beim Schneiden mittels Lichtbogen, Plasma und/oder Laser.
In einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur industriellen Bearbeitung, bei dem mit Hilfe eines Gasgemisches Schneiden, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch ein Gasgemisch gemäß der Erfindung ist. Fakultativer Sauerstoff wird dem Gasgemisch vor Ort zudosiert.
In einem fünften Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen des oben genannten Gasgemisches, umfassend einen Tank mit flüssigem Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen, einen Behälter, der den Kohlenwasserstoff gegebenenfalls in Mischung mit Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen enthält, und eine Einrichtung zum Mischen, die über Leitungen mit einer Stelle zur industriellen Bearbeitung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gasgemisches verbunden ist.
Ferner können ein oder mehrere Druckbehälter vorgehen sind, die Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen enthalten. Außerdem können ein oder mehrere Druckbehälter vorgesehen sind, die, gegebenenfalls getrennt, NO, N₂O; und/oder Dotiermengen von Kohlendioxid, Sauerstoff, NO und/oder N₂O in Mischung mit Helium, Argon und/oder Stickstoff; und/oder Sauerstoff unter Normaldruck enthalten.
In einem sechsten Aspekt betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung des oben genannten Gasgemischs, bei dem ein unter Normalbedingungen gasförmiger Kohlenwasserstoff zusammen mit Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen und gegebenenfalls Dotiermengen von Sauerstoff, NO und/oder N₂O in einen Druckbehälter abgefüllt wird.
Beschreibung der Ausführungsformen
Es wurde überraschend gefunden, dass der Zusatz eines unter Normalbedingungen gasförmigen Kohlenwasserstoffs zu üblichen Gasgemischen aus Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxid und/oder Wasserstoff und gegebenenfalls Beimengung von Kohlendioxid und/oder Dotiermengen von NO und/oder N₂O und/oder Sauerstoff zu einer erheblichen Zunahme des Wirkungsgrades des Schneidens mittels Plasma und/oder Laser führt.
Demgemäß betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Gasgemisch aus einem Gemisch von Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff oder deren Mischungen mit einem unter Normalbedingungen gasförmigen Kohlenwasserstoff, das gegebenenfalls ferner Dotiermengen von NO und/oder N₂O und/oder Sauerstoff enthalten kann.
Bevorzugt weist der Kohlenwasserstoff mindestens eine Doppel- oder Dreifachbindung auf.
Zu den gasförmigen Kohlenwasserstoffen gehören z. B Methan, Ethan, Propan, Cyclopropan, Butan, iso-Butan, Cyclobutan und die Kohlenwasserstoffe, die eine Doppel- oder Dreifachbindung aufweisen, z. B. Ethylen (Ethen), Acetylen (Ethin), Propen, Propin, 1- und 2-Buten, Isobuten, 1-Butin, 1,2-Butadien und 1,3-Butadien und deren Mischungen.
Ein besonders bevorzugter Kohlenwasserstoff ist Acetylen.
Spezielle Ausführungsformen der Gasgemische sind:
Argon/Acetylen, Helium/Acetylen, Stickstoff/Acetylen, Wasserstoff/Acetylen und Mischungen von zwei, drei oder allen vier der Nicht-Kohlenwasserstoff-Gase mit Acetylen, bevorzugt Argon/Helium/Acetylen.
Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe machen im Allgemeinen 0,001–30 Vol.-% des erfindungsgemäßen Gasgemisches aus. Bevorzugte Mengen sind 0,01–20 Vol.-%, spezieller 1–10 Vol.-% und insbesondere 2–5 Vol.-%. Die in einem speziellen Fall verwendeten Mengen hängen von der Art des Verfahrens und von den verarbeiteten Werkstoffen ab.
Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoffmonoxid und Lachgas (N₂O) können in Dotiermengen von 10 vpm bis 10000 vpm (0,001 bis 1,0 Vol.-%), bevorzugt 100 bis 1000 vpm, beigemischt sein.
Kohlendioxid kann auch in Mengen von gewöhnlich 1 bis 80 Vol.-%, bevorzugt 2 bis 50 Vol.-%, besonders bevorzugt 5 bis 20 Vol.-% beigemischt sein.
Ferner kann Sauerstoff auch in Mengen von gewöhnlich bis 30 Vol.-%, bevorzugt 2 bis 20 Vol.-% beigemischt sein. In diesem Fall wird Sauerstoff vor Ort drucklos zugegeben.
Die erfindungsgemäßen Gasgemische können in Druckbehältern vorliegen. Demgemäß ist ein zweiter Aspekt der Erfindung ein Druckbehälter, der die oben angegebenen Gasgemische mit Ausnahme größerer als Dotiermengen von O₂ enthält.
Einen weiteren Aspekt der Erfindung bildet die Verwendung des Gasgemisches beim Schneiden mittels Plasma und/oder Laser.
Dabei können die Gase als vorgemischtes Gasgemisch (außer Sauerstoff) aus einer oder mehreren Druckflaschen eingesetzt werden oder sie können in einer Mischvorrichtung vor Ort gemischt werden.
Die Aufgabe des Plasmas beim Schneiden mittels Plasma und/oder Laser (ein Plasma entsteht gewöhnlich auch im Laser) ist es, auf kontrollierte Weise Wärme auf den Werkstoff zu übertragen. Da die Theorie von Plasmen außerordentlich schwierig ist, sind die genauen Vorgänge in den bei den genannten Verfahren erzeugten Plasmen nicht gut bekannt und schwer vorherzusagen.
Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein, nimmt man an, dass bei Edelgasplasmen Wärme dadurch erzeugt wird, dass einerseits Elektronen und positiv geladene Ionen zu Atomen rekombinieren und andererseits die Atome Energie durch Stoß abgeben.
Bei Plasmen, an denen H₂- der N₂-Moleküle beteiligt sind, wird angenommen, dass weiter Energie aus der Vereinigung von Atomen zu Molekülen freigesetzt werden kann.
Es wurde überraschend gefunden, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Kohlenwasserstoffe insbesondere die Energie der Gasgemische erhöhen.
Wie groß dabei der jeweilige Energieanteil ist, der zur Erwärmung des Werkstoffs führt, hängt von den speziellen Bedingungen des Plasmas ab und ist schwer vorherzusagen.
Die Dotierung von Gasgemischen mit geringen Mengen CO₂, NO, N₂O und O₂ insbesondere beim Lichtbogenfügen ist bekannt (siehe z. B. EP 0 544 187 62 , EP 0 639 423 B1 und EP 0 640 431 B1 ). Durch sie wird u. a. eine Stabilisierung des Lichtbogens, eine bessere Energiekopplung beim Laser und allgemein eine Qualitätsverbesserung bewirkt, was auch bei Vorliegen geringer Mengen der erfindungsgemäß eingesetzten gasförmigen Kohlenwasserstoffe beobachtet wird.
Zum Laserbearbeiten werden beispielsweise CO₂-, Nd-YAG-, Dioden-, Scheiben- oder Faserlaser verwendet.
Mit thermischem Trennen oder Schneiden sind hier das Plasmaschneiden und das Laserstrahlschneiden gemeint.
Das Plasmaschneiden ist ein Prozess des thermischen Trennens, bei welchem der Grundwerkstoff durch den Plasmalichtbogen geschmolzen und/oder verdampft und teilweise auch verbrannt wird. Als Plasmalichtbogen bezeichnet man einen durch eine gekühlte Düse eingeschnürten ionisierten und dissoziierten Gasstrahl. Durch die Einschnürung erhält man einen Plasmastrahl mit hoher Energiedichte. Das Grundmaterial tritt mit dem Plasmastrahl in Wechselwirkung und wird durch das Plasmagas aus der entstehenden Schnittfuge ausgetrieben. Die zur Einschnürung notwendige Kühlung der Düse erfolgt üblicherweise entweder mittels Wasser und/oder mittels eines Gasgemisches, das als Sekundärgas, Schutzgas oder Hüllgas bezeichnet wird, welches den Plasmastrahl umhüllt. Eine Variante des Plasmaschneidens ist das Feinstrahl-Plasmaschneiden, bei welchem der Plasmastrahl sehr stark eingeschnürt wird. Das schmelzflüssige Material wird durch die hohe kinetische Energie des das Plasma bildenden Gasgemisches (auch als Plasmagas bezeichnet) ausgetrieben. Bei Verwendung eines Gasgemisches, das als Sekundärgas oder Schutzgas dient, bläst auch dieses das flüssige Material aus. Als Gasgemische für die Erzeugung des Plasmas werden Argon, Stickstoff, Wasserstoff und manchmal auch Helium sowie deren Mischungen eingesetzt. Diesem Gasgemisch wird in manchen Fällen auch Sauerstoff zugegeben, wobei der Sauerstoff zu einer Oxidation mit dem Werkstoff führen kann und dadurch zusätzliche Energie einbringt. Auch mit Druckluft als Gas wird gearbeitet. Bisweilen wird auch Kohlendioxid zugegeben. Wird ein weiteres Gasgemisch, d. h. ein Sekundärgas verwendet, wird auch für dieses ein Gas oder eine Gasmischung aus den eben genannten Gasen eingesetzt. Die Wahl des Gases beziehungsweise der Gaszusammensetzung wird durch die Verfahrensvariante und vor allem durch Dicke und Art des zu schneidenden Werkstoffes bestimmt.
Es hat sich nun herausgestellt, dass in den Fällen, in denen einem der oben genannten Gasgemische (Plasmagas, Sekundärgas) aus Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff oder einer Mischung davon weiter ein gasförmiger Kohlenwasserstoff, insbesondere Acetylen, zugesetzt wird, die Schneidgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden kann. Weiter wird die Qualität der Schnittfuge verbessert.
Beim Laserstrahlschneiden wird ein Laserstrahl als Schneidwerkzeug benutzt. Dazu wird der Laserstrahl auf die Bearbeitungsstelle gelenkt. Beim Laserschneiden mit inerten oder reaktionsträgen Gasen als Schneidgasen findet keine oder nahezu keine chemische Reaktion mit dem Grundwerkstoff statt. Das geschmolzene Material wird beim Laserstrahlschneiden mit dem Schneidgas aus der Schnittfuge ausgetrieben. Als Schneidgas wird folglich meist Stickstoff, Argon und/oder Helium verwendet. Auch Druckluft wird eingesetzt. Der Laserstrahl ist ein ideales Werkzeug, um metallische und nichtmetallische Werkstoffe geringer Dicken zu schneiden. Mit zunehmender Werkstoffdicke nimmt die Schneidgeschwindigkeit des Laserstrahls jedoch stark ab.
Überraschend wurde nun gefunden, dass sich ein zugesetzter gasförmiger Kohlenwasserstoff, insbesondere Acetylen, in der Schneidfuge zersetzt und dadurch mehr Energie in die Fuge einbringt. Als Folge wird die Schneidgeschwindigkeit des Laserstrahls bedeutend erhöht. Weiterhin ist es auch möglich, dickere Werkstoffe mit wirtschaftlich zufriedenstellenden Schneidgeschwindigkeiten zu trennen. Die Beschaffenheit der Schnittfuge wird ebenfalls verbessert und auch die Notwendigkeit zur Nachbearbeitung sinkt. Es steigt also die Produktivität.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur industriellen Bearbeitung, bei dem mit Hilfe eines Gasgemisches ein Schneiden vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch ein Gasgemisch gemäß der Erfindung ist. Gegebenenfalls wird dem Gasgemisch eine Dotiermenge Sauerstoff vor Ort zudosiert.
Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen des oben genannten Gasgemisches, umfassend einen Tank mit flüssigem Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen, einen Behälter, der den Kohlenwasserstoff gegebenenfalls in Mischung mit Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen enthält, und eine Einrichtung zum Mischen, die über Leitungen mit einer Stelle zur industriellen Bearbeitung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gasgemisches verbunden ist.
Ferner können ein oder mehrere Druckbehälter vorgehen sind, die Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen enthalten. Außerdem können ein oder mehrere Druckbehälter vorgesehen sind, die, gegebenenfalls getrennt, NO, N₂O; und/oder Dotiermengen von Kohlendioxid, Sauerstoff, NO und/oder N₂O in Mischung mit Helium, Argon und/oder Stickstoff; und/oder Sauerstoff unter Normaldruck enthalten.
Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung des oben genannten Gasgemischs, bei dem ein unter Normalbedingungen gasförmiger Kohlenwasserstoff zusammen mit Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen und gegebenenfalls Dotiermengen von Sauerstoff, NO und/oder N₂O in einen Druckbehälter abgefüllt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 054418762 [0030]
- EP 0639423 B1 [0030]
- EP 0640431 B1 [0030]

Claims

Gasgemisch, umfassend ein Gemisch von Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxid oder Wasserstoff oder deren Mischungen mit einem unter Normalbedingungen gasförmigen Kohlenwasserstoff.
Gasgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Dotiermengen von NO und/oder N₂O und/oder Sauerstoff enthält.
Gasgemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff mindestens eine Doppel- oder Dreifachbindung aufweist und noch bevorzugter Acetylen ist.
Gasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es den Kohlenwasserstoff in einem Anteil von 0,001–30 Vol.-%, bevorzugt 0,01–20 Vol.-%, spezieller 1–10 Vol.-% und insbesondere 2–5 Vol.-%, bezogen auf das gesamte Gemisch, enthält.
Gasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es Sauerstoff in größeren als Dotiermengen enthält.
Druckbehälter, der das Gasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.
Verwendung des Gasgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 5 beim Schneiden, mittels Plasma und/oder Laser.
Verfahren zur industriellen Bearbeitung, bei dem mit Hilfe eines Gasgemisches ein Schneiden vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch das Gasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.
Verfahren zur industriellen Bearbeitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff dem Gasgemisch vor Ort zudosiert wird.
Vorrichtung zum Bereitstellen des Gasgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen Tank mit flüssigem Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen, einen Behälter, der den Kohlenwasserstoff gegebenenfalls in Mischung mit Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen enthält, und eine Einrichtung zum Mischen, die über Leitungen mit einer Stelle zur industriellen Bearbeitung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gasgemisches verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein oder mehrere Druckbehälter vorgehen sind, die Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen enthalten.
Vorrichtung zum Bereitstellen des Gasgemisches nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein oder mehrere Druckbehälter vorgesehen sind, die, gegebenenfalls getrennt, NO, N₂O; und/oder Dotiermengen von Kohlendioxid, Sauerstoff, NO und/oder N₂O in Mischung mit Helium, Argon und/oder Stickstoff; und/oder Sauerstoff unter Normaldruck enthalten.
Verfahren zur Herstellung eines Gasgemischs nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein unter Normalbedingungen gasförmiger Kohlenwasserstoff zusammen mit Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder Helium oder deren Mischungen und gegebenenfalls Dotiermengen von NO und/oder N₂O und/oder Sauerstoff in einen Druckbehälter abgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff Acetylen ist.