DE102008057959A1

DE102008057959A1 - Schneiddüse zum Brennschneiden sowie Verfahren zum autogenen Brennschneiden eines metallischen Werkstücks

Info

Publication number: DE102008057959A1
Application number: DE102008057959A
Authority: DE
Inventors: Hans Fröhlich
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-05-27

Abstract

) zum Brennschneiden, umfassend mindestens einen Sauerstoffkanal (3), wobei der Sauerstoffkanal (3) in einer Strömungsrichtung (4) von einer Eintrittsseite (5) zu einer Austrittsseite (6) durchströmbar ist und in Strömungsrichtung (4) zumindest die folgenden Abschnitte aufweist: - einen ersten sich verjüngenden Abschnitt (7), - einen zweiten zylindrischen Abschnitt (8), - einen dritten sich erweiternden Abschnitt (9) und - mindestens einen vierten sich erweiternden Abschnitt (10), und mindestens einen Flammenschlitz (20) zum Ausführen einer Heizflamme in Strömungsrichtung (4) aus der Schneiddüse (1), wobei der dritte Abschnitt (9) einen Öffnungswinkel (21) zur Strömungsrichtung (4) von 2° bis 5° und der vierte Abschnitt (10) einen Öffnungswinkel (21) zur Strömungsrichtung (4) von 5,5° bis 8° aufweist. Die erfindungsgemäße Schneiddüse (1) und das erfindungsgemäße Verfahren zum autogenen Brennschneiden erlauben einen effektiven Brennschneidvorgang von relativ großen Materialdicken von beispielsweise bis zu 200 mm. Hierbei können Schneidgeschwindigkeiten von 300 mm/min erreicht werden. Die erfindungsgemäße Schneiddüse (1) ist ferner einfach herzustellen, robust und haltbar.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schneiddüse zum Brennschneiden von metallischen Werkstücken sowie ein entsprechendes Verfahren.
Beim Brennschneiden von metallischen Werkstücken werden Flammengase als Heizflamme auf das metallische Werkstück aufgebracht und erhitzen dieses. Mittels eines Schneid-Sauerstoffstrahls erfolgt nach Erreichen der Zündtemperatur des metallischen Werkstücks eine Verbrennung des metallischen Werkstücks durch den auftretenden Sauerstoffstrahl. Zur Erreichung guter Schneideergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die zu durchtrennende Materialdicke des metallischen Werkstücks ist eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Schneidsauerstoffs beim Auftreten auf die Werkstückoberfläche vorteilhaft. Gleichzeitig soll der apparative Aufwand, der zum Aufbringen solcher Schneidsauerstoffstrahlen auf die Werkstoffoberfläche möglichst gering gehalten werden. Hierzu ist es wünschenswert, möglichst einfach auszubildende Schneiddüsen einzusetzen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schneiddüse und ein entsprechendes Verfahren zum Brennschneiden vorzuschlagen, durch die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise überwunden werden und insbesondere ein geringer Herstellungsaufwand der entsprechenden Schneiddüse und eine hohe Leistungsfähigkeit der Schneiddüse des entsprechenden Verfahrens erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Die erfindungsgemäße Schneiddüse zum Bennschneiden umfasst mindestens einen Sauerstoffkanal, wobei der Sauerstoffkanal in einer Strömungsrichtung von einer Eintrittsseite zu einer Austrittsseite durchströmbar ist und in Strömungsrichtung zumindest die folgenden Abschnitte aufweist:

– einen ersten sich verjüngenden Abschnitt,
– einen zweiten zylindrischen Abschnitt,
– einen dritten sich erweiternden Abschnitt und
– mindestens einen vierten sich erweiternden Abschnitt.

Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Schneiddüse mindestens einen Flammenschlitz zum Ausführen einer Heizflamme in Strömungsrichtung aus der Schneiddüse. Der dritte Abschnitt weist einen Öffnungswinkel zur Strömungsrichtung von 2° bis 5° und der vierte Abschnitt einen Öffnungswinkel zur Strömungsrichtung von 5,5° bis 8° auf.
Bevorzugt ist der erste Abschnitt ein sich konisch verjüngender Abschnitt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einem sich verjüngenden ersten Abschnitt und zwei aneinander anschließenden sich erweiternden Abschnitten, nämlich dem dritten und dem vierten Abschnitt, kommt es zu einer Entspannung des Sauerstoffs und zu einer Beschleunigung des Sauerstoffs beim Durchtreten durch den Sauerstoffkanal, so dass hohe Sauerstoffdurchflüsse und hohe Sauerstoffimpulse erreichbar sind. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Schneiddüse einfach herstellbar und zeichnet sich nach Versuchen der Anmelderin durch eine hohe Lebensdauer aus. Der dritte sich erweiternde Abschnitt und der vierte sich erweiternde Abschnitt können beliebige Querschnitte aufweisen. Bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der sich der dritte Abschnitt und/oder der vierte Abschnitt konisch erweitern also kreisförmige Querschnitte aufweisen. In diesem Falle entspricht der Öffnungswinkel dem Konuswinkel. Bei nicht-kreisförmigen Querschnitten des dritten und/oder des vierten Abschnitts gibt der Öffnungswinkel einen entsprechenden charakteristischen Winkel zwischen der Außenkontur und einer zentralen Linie in Richtung der Strömungsrichtung an.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schneiddüse verjüngt sich der erste Abschnitt konisch und weist einen Konuswinkel von weniger als 30° auf.
Insbesondere ein Konuswinkel im Bereich von 15° bis 25°, besonders bevorzugt von 18° bis 22° hat sich als vorteilhaft erwiesen. Durch diese Konuswinkel von weniger als 30° kommt es nach dem Konfusor-Prinzip zu einer Beschleunigung der Sauerstoffströmung durch den Sauerstoffkanal im Betrieb der Schneiddüse.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schneiddüse weist der zweite Abschnitt einen ersten Querschnitt und der vierte Abschnitt an der Austrittsseite einen dritten Querschnitt auf, wobei der Quotient des ersten Querschnitts zum dritten Querschnitt im Bereich von 0,297 bis 0,300 liegt.
Dies entspricht bei einem sich konisch erweiternden vierten Abschnitt einem Durchmesserquotienten im Bereich von 0,545% +/– 5%.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schneiddüse weist der zweite Abschnitt einen ersten Querschnitt und der dritte Abschnitt einen größten Querschnitt auf, wobei der Quotient aus erstem Querschnitt und größtem Querschnitt im Bereich von 0,64 bis 0,71 liegt.
Dies entspricht bei jeweils sich konisch erweiternden zweiten und dritten Abschnitten einem Durchmesserquotienten von 0,80% +/– 5%.
Die hier angegebenen Quotienten charakterisieren eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schneiddüse, bei der in besonders vorteilhafter Weise eine genügend große Entspannung des Sauerstoffstrahls im Betrieb erreicht werden kann, wobei gleichzeitig der Schneidsauerstoffstrahl einen definierten Fokus und einen genügend großen Impuls behält, um so Werkstücke einer Dicke von bis zu 200 mm schneiden zu können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schneiddüse weist der dritte Abschnitt in Strömungsrichtung eine erste Länge und der vierte Abschnitt in Strömungsrichtung eine zweite Länge auf, wobei der Quotient aus erster Länge und zweiter Länge im Bereich von 0,7 bis 1,43 liegt.
Eine bevorzugte Möglichkeit besteht in einer Ausgestaltung, bei der der dritte und vierte Abschnitt gleichlang sind und der entsprechende Quotient der ersten Länge zur zweiten Länge also im Bereich von 1,0 liegt.
Grundsätzlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die beiden sich erweiternden Abschnitte, also der dritte Abschnitt und der vierte Abschnitt, Längen einer ähnlichen Größenordnung aufweisen. Auch dies bewirkt eine genügende aber nicht zu große Entspannung bei gleichzeitiger Erhaltung eines genügend großen Impulses des Schneidsauerstoffstrahls im Betrieb der erfindungsgemäßen Schneiddüse.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum autogenen Brennschneiden eines metallischen Werkstücks unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Schneiddüse vorgeschlagen, bei dem durch den mindestens einen Flammenschlitz eine Heizflamme auf das Werkstück gegeben wird, durch die zumindest ein Teilbereich des Werkstücks über eine Zündtempe ratur des Werkstücks erhitzt wird, während durch den Sauerstoffkanal zumindest zeitweise Sauerstoff (O₂) auf den Teilbereich des Werkstücks gegeben wird.
Durch das Erhitzen des Werkstückes zumindest in Teilbereichen durch die Heizflamme auf eine Temperatur oberhalb der Zündtemperatur des Materials kommt es durch Zugeben des Sauerstoffs zum Abbrennen des Werkstückes in dem Teilbereich. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Schneiddüse ermöglicht hier die Ausbildung eines kompakten Sauerstoffstrahls mit hohem Impuls, die ein Durchbrennen des Werkstücks in dem gewünschten Bereich ermöglicht. Insbesondere bei einer bevorzugten Ausgestaltung, bei dem der Sauerstoff dem Sauerstoffkanal mit einem Druck von 13 bis 17 bar zugeführt wird, können so auch Werkstücke einer Dicke von bis zu 200 mm geschnitten werden.
Die für die erfindungsgemäße Schneiddüse offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf das erfindungsgemäße Verfahren anwenden und übertragen und umgekehrt.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert, ohne auf die dort gezeigten Details beschränkt zu sein. Es zeigen schematisch:
1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schneiddüse,
2 bis 4 Beispiele von Querschnitten des Sauerstoffkanals des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schneiddüse.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schneiddüse 1 im Längsschnitt. Die Schneiddüse 1 umfasst einen metallischen Düsenkörper 2. Die Schneiddüse 1 umfasst ferner einen Sauerstoffkanal 3, wobei der Sauerstoffkanal 3 in einer Strömungsrichtung 4 von einer Eintrittsseite 5 zu einer Austrittsseite 6 durchströmbar ist und im Betrieb durchströmt wird. Der Sauerstoffkanal 3 umfasst von der Eintrittsseite 5 in Richtung der Austrittsseite 6 nacheinander einen ersten sich verjüngenden Abschnitt 7, einen zweiten zylindrischen Abschnitt 8, einen dritten sich erweiternden Abschnitt 9 und einen vierten sich erweiternden Abschnitt 10. Der erste Abschnitt 7 ist konisch verjüngend ausgebildet und weist einen Konuswinkel von 20° auf. Der Konuswinkel ist dabei auf eine in Strömungsrichtung 4 ausgerichtete zentrale Symmetrielinie 19 gemessen. Der dritte Abschnitt 9 ist ebenfalls konisch sich erweiternd ausgebildet mit einem Konuswinkel von 3°. Der vierte Abschnitt 10 ist konisch erweiternd ausgebildet mit einem Konuswinkel von 6°. Die Schneiddüse 1 ist für einen Schneidsauerstoffdruck von 15 bar ausgelegt. Exemplarisch zeigt 1 einen Öffnungswinkel 21.
Die 2 bis 4 zeigen die entsprechend mit II, III, IV bezeichneten Querschnitte. Die Darstellung ist dabei rein schematisch gewählt und zeigt ausschließlich die Öffnung des Sauerstoffkanals 3 in diesem Bereich. Der Querschnitt in 2 zeigt die Öffnung des Sauerstoffkanals 3 in dem in 1 mit I bezeichneten Bereich. Hier weist der Sauerstoffkanal 3 einen ersten Querschnitt 11 und einen ersten Durchmesser 12 auf.
An der in 1 mit III bezeichneten Stelle am Übergang vom dritten Abschnitt 9 auf den vierten Abschnitt 10 weist der Sauerstoffkanal 3 wie in 3 gezeigt einen zweiten Querschnitt 13 und einen zweiten Durchmesser 14 auf. An der in 1 mit IV bezeichneten und im Querschnitt in 4 gezeigten Stelle weist der Sauerstoffkanal 3 einen dritten Querschnitt 15 und einen dritten Durchmesser 16 auf.
Hierbei wurden der erste Durchmesser 12 und der dritte Durchmesser 16 so gewählt, dass der Quotient des ersten Durchmessers 12 zum dritten Durchmesser 16 bei 0,545 liegt. Hierdurch ergibt sich Quotient des ersten Querschnitts 11 zum dritten Querschnitt 15 von 0,297. Der erste Durchmesser 12 und der zweite Durchmesser 14 wurden so gewählt, dass der Quotient des ersten Durchmessers 12 zum zweiten Durchmesser 14 bei 0,8 liegt. Hieraus ergibt sich ein Quotient des entsprechenden ersten Querschnitts 11 zum zweiten Querschnitt von 0,64.
Der dritte Abschnitt 9 weist eine erste Länge 17 auf, während der vierte Abschnitt 10 eine zweite Länge 18 aufweist, wie 1 entnehmbar ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Länge 7,2 mm (Millimeter) und die zweite Länge 8,4 mm. Die Differenz zwischen der ersten Länge 17 und der zweiten Länge 18 liegt bevorzugt im Bereich zwischen 13% und 18% bezogen auf die Größere der beiden Längen 17, 18. Bei einem Druck von 15 bar, mit dem der Sauerstoff am ersten Abschnitt 7 des Austrittskanals 3 anliegt, kann mit der erfindungsgemäßen Schneiddüse 1 ein Sauerstoffdurchfluss von 17 m³/Std. erreicht werden. Durch Flammenschlitze 20 wird das nicht gezeigte Werkstück über eine Zündtemperatur des Werkstücks aufgeheizt und dann daran anschließend durch den durch den Sauerstoffkanal 3 auf das Werkstück auftreffenden Sauerstoff verbrannt. Durch die durch die erfindungsgemäße Schneiddüse 1 erreichten hohen Sauerstoffimpulse und -durchflussraten können erfindungsgemäß Werkstoffdicken von bis zu 200 mm mit hoher Schneidgeschwindigkeit geschnitten werden.
Die erfindungsgemäße Schneiddüse 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum autogenen Brennschneiden erlauben einen effektiven Brennschneidvorgang von relativ großen Materialdicken von beispielsweise bis zu 200 mm. Hierbei können Schneidgeschwindigkeiten von 300 mm/min (Millimeter pro Minute) erreicht werden. Die erfindungsgemäße Schneiddüse 1 ist ferner einfach herzustellen, robust und haltbar.

1: Schneiddüse
2: metallischer Düsenkörper
3: Sauerstoffkanal
4: Strömungsrichtung
5: Eintrittsseite
6: Austrittsseite
7: erster Abschnitt
8: zweiter Abschnitt
9: dritter Abschnitt
10: vierter Abschnitt
11: erster Querschnitt
12: erster Durchmesser
13: zweiter Querschnitt
14: zweiter Durchmesser
15: dritter Querschnitt
16: dritter Durchmesser
17: erste Länge
18: zweite Länge
19: Symmetrielinie
20: Flammenschlitz
21: Öffnungswinkel

Claims

Schneiddüse (1) zum Brennschneiden, umfassend mindestens einen Sauerstoffkanal (3), wobei der Sauerstoffkanal (3) in einer Strömungsrichtung (4) von einer Eintrittsseite (5) zu einer Austrittsseite (6) durchströmbar ist und in Strömungsrichtung (4) zumindest die folgenden Abschnitte aufweist: – einen ersten sich verjüngenden Abschnitt (7), – einen zweiten zylindrischen Abschnitt (8), – einen dritten sich erweiternden Abschnitt (9) und – mindestens einen vierten sich erweiternden Abschnitt (10), und mindestens einen Flammenschlitz (20) zum Ausführen einer Heizflamme in Strömungsrichtung (4) aus der Schneiddüse (1), dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt (9) einen Öffnungswinkel (21) zur Strömungsrichtung (4) von 2° bis 5° und der vierte Abschnitt (10) einen Öffnungswinkel (21) zur Strömungsrichtung (4) von 5,5° bis 8° aufweist.
Schneiddüse (1) nach Anspruch 1, bei der mindestens einer der folgenden Abschnitte sich konisch erweitert: a) der dritte Abschnitt (9) und b) der vierte Abschnitt (10).
Schneiddüse (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich der erste Abschnitt (7) konisch verjüngt und einen Konuswinkel von weniger als 30° aufweist.
Schneiddüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Abschnitt (8) einen ersten Querschnitt (11) und der vierte Abschnitt (10) an der Austrittsseite (6) einen dritten Querschnitt (15) aufweist, wobei der Quotient des ersten Querschnitts (11) zum dritten Querschnitt (15) im Bereich von 0,297 bis 0,300 liegt.
Schneiddüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Abschnitt (8) einen ersten Querschnitt (11) und der dritte Abschnitt (9) einen größten Querschnitt (13) aufweist, wobei der Quotient aus erstem Querschnitt (11) und größtem Querschnitt (13) im Bereich von 0,64 bis 0,71 liegt.
Schneiddüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der dritte Abschnitt (9) in Strömungsrichtung (4) eine erste Länge (17) und der vierte Abschnitt (10) in Strömungsrichtung (4) eine zweite Länge (18) aufweist, wobei der Quotient aus erster Länge (17) und zweiter Länge (18) im Bereich von 0,7 bis 1,43 liegt.
Verfahren zum autogenen Brennschneiden eines metallischen Werkstücks unter Verwendung einer Schneiddüse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch den mindestens einen Flammenschlitz (20) eine Heizflamme auf das Werkstück gegeben wird, durch die zumindest ein Teilbereich des Werkstücks über eine Zündtemperatur des Werkstücks erhitzt wird, während durch den Sauerstoffkanal (3) zumindest zeitweise Sauerstoff (O₂) auf den Teilbereich des Werkstücks gegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Sauerstoff dem Sauerstoffkanal (3) mit einem Druck von 13 bis 17 bar zugeführt wird.