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Gebiet der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrode mit einem Elektrodenkern für einen Plasmabrenner.
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Stand der Technik
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Plasmabrenner oder Plasmaschneider werden zum Schneiden von Metallteilen eingesetzt und stellen eine Alternative zum herkömmlichen Schneidbrenner dar. Getrennt wird das Metall mittels eines Lichtbogens, der zwischen einer Elektrode und dem zu bearbeitenden Material entsteht.
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Das Plasma ist ein elektrisch leitfähiges Gas mit einer Temperatur von etwa 30.000°C. Die hohe Energiedichte im Plasmastrahl wird durch das Fokussieren des Lichtbogens in der Plasmadüse erreicht.
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Beim Plasmaschneiden wird zunächst ein Pilotlichtbogen zwischen der Elektrode und der Fokussierdüse über einen Hochspannungsimpuls gezündet. Der Plasmalichtbogen entsteht dann beim Anlegen der Spannung zwischen Werkstück und Plasmaelektrode.
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Die Hauptverschleißteile eines Plasmabrenners sind die Düse und die Elektrode. Dabei dienen die Düse als Anode und die Elektrode als Kathode. In der Regel werden beide Teile gleichzeitig gewechselt, wobei es durchaus vorkommen kann, dass eine Elektrode auch zwei Düsen überlebt. Die dort eingesetzten Elektroden und Düsen sind meist elektrisch und thermisch hoch beansprucht, was zu einer begrenzten Lebensdauer und einen kostenintensiven Austausch des Bauteils führt. Üblicherweise verursachen diese Brennerbauteile (Düse und Elektrode) circa 60 bis 90% der gesamten Verschleißteilkosten.
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In der Regel verfügen alle Elektroden über ein Gehäuse aus einem thermisch leitenden Material wie z. B. Kupfer oder Silber oder Silberlegierungen und einem darin eingesetzten Elektrodenkern. Die Elektrode ist dabei so konstruktiv gestaltet, dass eine Kühlung durch die innen verlaufende Flüssigkeit erzielt wird. Nach dem Stand der Technik wird der Elektrodenkern an der Spitze der Elektrode mittig aufgenommen und ragt, umgeben von dem Material de Elektrodengehäuses, nach innen in Richtung der Kühlflüssigkeit.
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Der Elektrodenkern besteht in den meisten Fällen entweder aus günstigem Zirkonium oder Wolfram bzw. teuerem Hafnium. Er ist stiftförmig ausgebildet und wird durch ein Bohrloch im Schmelzverfahren in die Kupferfassung eingesetzt. Durch den Einsatz von Kupfer oder Silber oder deren Legierungen wird gezielt die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit ausgenutzt.
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Mit der
DE 102 10 412 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenelements für einen Plasmabrenner bekannt geworden. Hierbei weist das Elektrodenelement einen Kern aus Metall oder einer Metall-Legierung mit kleiner Austrittsarbeit auf und wird nach einer Vorwärmung von circa 400°C durch Strangpressen in ein hülsenförmiges Teil aus einem Metall mit höherer Austrittsarbeit und höherer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit eingeführt.
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Die
EP 2 082 622 zeigt in
1 den Stand der Technik, bei dem die Elektrode mittig einen Elektrodenkern aufgenommen hat. Bei der Aufnahme handelt es sich um eine Durchgangsbohrung, die bis in den mit Kühlflüssigkeit gefüllten Innenraum der Elektrode hineinreicht. Entscheidend bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist, dass der Elektrodenkern lediglich nur bis zum Ende des Bohrloches reicht. Somit steht nur die Stirnseite des Elektrodenkerns mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt.
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Gegenstand der Erfindung
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Elektrode für einen Plasmabrenner so weiterzubilden, dass eine bessere Kühlung des Elektrodenkerns gewährleistet wird.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass mindestens eine Stirnseite und mindestens eine radiale Seitenfläche des Elektrodenkerns in Berührung mit einer Kühlflüssigkeit sind.
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In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Elektrode des Brenners aus einer Kupfer- oder Silberlegierung und weißt an der Spitze eine mittige Bohrung für die Aufnahme eines Elektrodenkerns auf. Der Elektrodenkern besteht vorteilhaft aus Hafnium, er kann jedoch aus anderen Werkstoffen wie z. B. Wolfram oder Zirkonium bestehen.
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Die Elektrode ist so konstruktiv ausgebildet, dass der Elektrodenkern durch die mittige Bohrung aufgenommen wird. Bei der Bohrung handelt es sich um eine Durchgangsbohrung, die bis in mit Kühlflüssigkeit gefüllten Innenraum der Elektrode reicht. Vorteilhafterweise ist die Elektrode im Innenraum so ausgebildet, dass sie einen mittigen Körper für die Aufnahme des Elektrodenkerns bildet, der weitgehend von der Kühlflüssigkeit umgeben ist und der in die Kühlflüssigkeit eintaucht.
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Neu bei der vorliegenden Erfindung ist, dass der Elektrodenkern länger als die Durchgangbohrung ist. Auf diese Weise ist des erstmals möglich einen radialen Teil des Elektrodenkerns mit der Kühlflüssigkeit in Verbindung zu bringen. Dabei werden neben der Stirnfläche des Elektrodenkerns auch die Seitenflächen mit der Kühlflüssigkeit umspült. Der Elektrodenkern taucht damit vorteilhaft erstmals mit bis zu 80% seiner Gesamtlänge in die Kühlflüssigkeit ein. Dies ist nur eine vorteilhafte Längenangabe, welche den Erfindungsgedanken nicht beschränkt. Wichtig ist, dass der in die Kühlflüssigkeit eintauchende Teil, so lang wie möglich ausgebildet ist, um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten.
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Folglich kann so ein wesentlich besserer Wärmeübergang durch die zusätzlichen radialen Seitenflächen des Elektrodenkerns erzielt werden. Dies war bisher nach dem Stand der Technik nicht möglich, da dieser nur eine Berührung der Stirnfläche des Elektrodenkerns mit der Kühlflüssigkeit erlaubte.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verfügt der Elektrodenkern an einem axialen Endbereich über konvexe Einführschrägen. Diese Ausführungsform stellt wesentliche Vorteile in Bezug auf den Einbau des Elektrodenkerns in der Bohrung der Elektrode dar. Da die Halterung des Kernes als Presspassung ausgebildet ist, verhindern die Einführschrägen des Elektrodenkerns, dass beim Einpressen des Kerns die Bohrung ausreißt. Dadurch ist es erstmals möglich, eine reine Presspassung zwischen dem Elektrodengehäuse und dem Elektrodenkern durchzuführen.
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Ein weiterer positiver Effekt der Presspassung (– die durch Einschlagen des Kerns, Schrumpfen oder Schweißen erreicht wird –) ist, dass der gegenüber dem Kern vermindertere Bohrlochdurchmesser, Leckagen in diesem Bereich verhindert.
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Hierbei kann beispielsweise der Bohrlochdurchmesser 1,5 mm betragen und der Elektrodenkern über einen Durchmesser von 1,6 mm verfügen.
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In einer anderen Ausführung der Erfindung kann die Presspassung auch durch einen Elektrodenkern erreicht werden, der vor seinem Einsetzen in die Bohrung z. B. in flüssigem Stickstoff geschrumpft wird. Nach dem Wegfall der Stickstoffkühlung dehnt er sich wieder aus. In einer anderen Ausführung kann er auch durch Anlegen eines Kurzschlussstromes eingeschweißt werden. Entscheidend ist im Übrigen, dass der Sitz des Elektrodenkerns in der Durchgangsbohrung flüssigkeitsdicht sein muss.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1a: Plasmaelektrode nach dem Stand der Technik
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1b: Plasmaelektrode nach dem Stand der Technik
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1 Schematisierte Darstellung der erfindungsgemäßen Plasmaelektrode mit Elektrodenkern
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2 eine weitere Ausführungsform der Plasmaelektrode mit Elektrodenkern mit Einführschrägen
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1a zeigt eine schematische Darstellung einer Plasmaelektrode nach dem Stand der Technik. Die Elektrode 1 besteht aus einem Elektrodengehäuse 2 und einem Elektrodenkern 3. Der Elektrodenkern 3 ist mittig in dem radialen Elektrodengehäuse 2 in einer Sacklochbohrung aufgenommen. Der Wärmeübergang von dem Elektrodenkern 3 auf die Kühlflüssigkeit 7 findet bei diesem Ausführungsbeispiel über die Fläche 4 des Elektrodengehäuses 2 statt.
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1b zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Plasmaelektrode nach dem Stand der Technik. Hier ist der Elektrodenkern 3 in einer Durchgangsbohrung aufgenommen. Die Stirnseite 8 des Elektrodenkerns 3 steht somit mit der Kühlflüssigkeit 7 in Kontakt. Der Wärmeübergang erfolgt dabei entweder über die Stirnseite 8 oder über die Aufnahme 5 des Elektrodengehäuses 2.
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In der 1 wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese besteht aus einem Elektrodengehäuse 2 und einem Elektrodenkern 3. Der Elektrodenkern 3 ist in einer Durchgangsbohrung des Elektrodengehäuses 2 aufgenommen und erstreckt sich über die seitlichen Aufnahmen 5 in den Innenraum des Elektrodengehäuses 2. Mit diesem Ausführungsbeispiel ist es zum ersten Mal möglich, dass bei dem Elektrodenkern 2 sowohl die Stirnfläche 8 als auch die radialen Seitenflächen 6 mit der Kühlflüssigkeit 7 in Kontakt kommen. Dies gewährleistet einen effizienten Wärmeübergang von dem Elektrodenkern 3 mit seiner Stirnfläche 8 und den radialen Seitenflächen 6 auf die Kühlflüssigkeit 7. Der Elektrodenkern 3 taucht somit mit einem gewissen Teil des Kerns in die Kühlflüssigkeit 7 ein.
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Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen besteht der Elektrodenkörper 2 bevorzugt aus einem sauerstoffarmen Kupfer, da dadurch der Verschleiß verringert und eine höhere Lebensdauer erreicht wird. Dieses soll jedoch nur eine beispielhafte Ausführungsform darstellen, es sind ebenso jede andere Art von Materialien möglich, wie z. B. Kupfer- oder Silberlegierungen.
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Der Elektrodenkern 3 kann ebenso in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel aus Hafnium hergestellt werden, es sind jedoch andere Materialien wie z. B. Zirkonium oder Wolfram möglich.
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In 2 ist in einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel das Elektrodengehäuse 2 zusammen mit dem Elektrodenkern 3 dargestellt. Es gelten die gleichen Bezugszeichen wie in 1. Hierbei steht der Elektrodenkern 3 ebenfalls über die Aufnahme 5 heraus und in die Kühlflüssigkeit 7 ein.
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Neu ist die Form des Elektrodenkerns 3 auf der Innenseite des Elektrodengehäuses 2. Der Elektrodenkern 3 weißt neben den Seitenflächen 6, konisch verlaufende Einführschrägen 9 auf. Diese sollen den Einbau des Elektrodenkerns 3 durch die Durchgangsbohrung des Elektrodengehäuses 2 erleichtern.
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Die Einführschrägen 9 ermöglichen beim Einpressen ein Aufweiten der Durchgangsbohrung und verhindern so ein Ausreißen der Bohrung des Elektrodengehäuses 2. Dies ermöglicht erstmals eine reine Presspassung zwischen dem Elektrodengehäuse und dem Elektrodenkern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrode
- 2
- Elektrodengehäuse
- 3
- Elektrodenkern
- 4
- Fläche (Elektrodengehäuse 2)
- 5
- Aufnahme
- 6
- Seitenfläche
- 7
- Kühlflüssigkeit
- 8
- Stirnseite (Elektrodenkern 3)
- 9
- Einführschrägen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10210412 B4 [0008]
- EP 2082622 [0009]
