DE102011053106B4 - Plasma torch and method for machining workpieces - Google Patents
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Abstract
Plasmabrenner zum Bearbeiten von Werkstücken durch Schneiden und/oder Fugenhobeln umfassend einen Brennerkopf (10) mit einer ersten und zweiten Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens L, einer ersten Gasführung (12a) zur Zufuhr eines ionisierbaren Gases in den Lichtbogen L und einer Düse (13), wobei im Betrieb der im Lichtbogen L erzeugte Plasmastrahl durch die Düse (13) austritt, auf das Werkstück auftrifft und Material abträgt, wobei die zweite Elektrode eine Ringelektrode bildet, die einen Lichtbogenmanipulator (17) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes oder eines elektromagnetischen Feldes aufweist, wobei die Ortslage des Lichtbogens L entlang des Umfangs der Ringelektrode durch das Feld veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenmanipulator (17) wenigstens einen entlang des Umfangs der Ringelektrode bewegbaren Permanentmagnet mit einem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb aufweist, wobei die Ringelektrode einen Hohlkanal aufweist, in dem der Permanentmagnet in Umfangsrichtung der Ringelektrode beweglich angeordnet ist.Plasma torch for machining workpieces by cutting and / or gouging comprising a burner head (10) having first and second electrodes for generating an arc L, a first gas guide (12a) for supplying an ionizable gas into the arc L and a nozzle (13) wherein, in operation, the plasma jet generated in the arc L exits through the nozzle (13), impacts the workpiece and ablates material, the second electrode forming a ring electrode having an arc manipulator (17) for generating a magnetic field or an electromagnetic field , wherein the spatial position of the arc L along the circumference of the ring electrode through the field is variable, characterized in that the arc manipulator (17) has at least one movable along the circumference of the ring electrode permanent magnet with a pneumatic or hydraulic drive, wherein the ring electrode has a hollow channel in which the permane ntmagnet is arranged to be movable in the circumferential direction of the ring electrode.
Description
Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner sowie ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken.The invention relates to a plasma torch and a method for machining workpieces.
Zum Plasmaschneiden leitender Materialien, wie Bleche, Baustahl usw. werden bekanntermaßen Plasmabrenner eingesetzt, bei denen ein Lichtbogen zwischen einer Wolframelektrode und dem Werkstück erzeugt wird. Dem Lichtbogen wird ein Gas zugeführt, das im Lichtbogen ionisiert wird. Das dabei entstehende Plasma ist ein elektrisch leitfähiges Gas mit einer Temperatur von bis zu 30.000°C. Der Lichtbogen wird in der Regel mit einer Hochfrequenzzündung gezündet und am Austritt des Brenners durch eine isolierte Düse eingeschnürt. Durch die hohe Energiedichte des Plasmastrahls schmilzt das Material und wird gleichzeitig dabei weggeblasen, so dass eine Schnittfuge entsteht.For plasma cutting of conductive materials such as sheets, structural steel, etc., plasma torches are known to be used in which an arc is generated between a tungsten electrode and the workpiece. The arc is supplied with a gas which is ionized in the arc. The resulting plasma is an electrically conductive gas with a temperature of up to 30,000 ° C. The arc is usually ignited with a high-frequency ignition and constricted at the outlet of the burner through an insulated nozzle. Due to the high energy density of the plasma jet, the material melts and is simultaneously blown away, creating a kerf.
Die industrielle Nutzung thermischer Verfahren zum Schneiden nicht leitender Werkstücke, beispielsweise zum Schneiden von Stahlbeton ist ebenfalls bekannt. Zum Schneiden elektrisch nicht leitender Werkstücke ist es bekannt, Plasmabrenner in indirekter Betriebsweise einzusetzen, wobei der Lichtbogen zwischen einer Elektrode und der Düse des Plasmabrenners brennt. Allerdings ist die Strombelastbarkeit der Düse und damit die Leistung des Verfahrens begrenzt. Überdies verschleißt die Düse schnell.
In
In
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf den Plasmabrenner durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 9 gelöst.According to the invention this object is achieved with regard to the plasma torch by the subject-matter of claim 1 and with regard to the method by the subject-matter of claim 9.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen Plasmabrenner zum Bearbeiten von Werkstücken durch Schneiden und Fugenhobeln anzugeben, der einen Brennerkopf mit einer ersten und zweiten Elektrode umfasst. Die erste Elektrode kann eine Kathode und die zweite Elektrode kann eine Anode sein. Die erste und zweite Elektrode sind zur Erzeugung eines Lichtbogens vorgesehen. Der Brennerkopf umfasst eine erste Gasführung zur Zufuhr eines ionisierbaren Gases in den Lichtbogen und eine Düse, wobei im Betrieb der im Lichtbogen erzeugte Plasmastrahl durch die Düse austritt, auf das Werkstück auftrifft und Material abträgt. Die zweite Elektrode bildet eine Ringelektrode, insbesondere Ringanode, und weist einen Lichtbogenmanipulator zur Erzeugung eines magnetischen oder elektromagnetischen Feldes auf. Die Ortslage des Lichtbogens ist entlang des Umfangs der Ringelektrode durch das magnetische oder elektromagnetische Feld veränderbar.The invention is based on the idea to provide a plasma torch for machining workpieces by cutting and gouging, comprising a burner head with a first and second electrode. The first electrode may be a cathode and the second electrode may be an anode. The first and second electrodes are provided for generating an arc. The burner head includes a first gas guide for supplying an ionizable gas into the arc and a nozzle, wherein in operation the plasma jet generated in the arc exits through the nozzle, impinges on the workpiece and removes material. The second electrode forms a ring electrode, in particular ring anode, and has an arc manipulator for generating a magnetic or electromagnetic field. The location of the arc is variable along the circumference of the ring electrode by the magnetic or electromagnetic field.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Plasmastrahl durch die Ringelektrode hindurchströmen kann, ohne dass dabei das Strömungsverhalten des Plasmastrahls signifikant beeinflusst wird. Außerdem wird die Verwirbelung des Plasmastrahls vermieden und die Ausbildung einer laminaren Strömung unterstützt. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass es zu aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen dem Plasmastrahl und der Ringelektrode kommen kann.The invention has the advantage that the plasma jet can flow through the ring electrode without significantly influencing the flow behavior of the plasma jet. In addition, the turbulence of the plasma jet is avoided and the formation of a laminar flow supported. It is not excluded that aerodynamic interactions between the plasma jet and the ring electrode can occur.
Überdies hat die Erfindung den Vorteil, dass durch den Lichtbogenmanipulator die Ortslage des Lichtbogens entlang des Umfangs der Ringelektrode veränderbar ist. Dadurch wird erreicht, dass der Fuß des Lichtbogens auf der Ringelektrode wandert und ein übermäßiger Verschleiß der Ringelektrode vermieden wird. Die berührungslose Führung des Lichtbogens durch das vom Lichtbogenmanipulator erzeugbare magnetische und elektromagnetische Feld trägt dazu bei, dass der Lichtbogen ohne Beeinträchtigung des Strömungsverhaltens des Plasmastrahls lokal bewegt werden kann. Überdies hat die Manipulation des Lichtbogens durch ein magnetisches und elektromagnetisches Feld den Vorteil, dass die Magnetkraft zur Ablenkung des Lichtbogens und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtbogenmanipulators frei variierbar sind. Im Gegensatz dazu ist die Manipulation des Lichtbogens nach dem Prinzip der Gasverwirbelung im Hinblick auf die Geschwindigkeit und Kraft begrenzt.Moreover, the invention has the advantage that the position of the arc along the circumference of the ring electrode can be changed by the arc manipulator. This ensures that the foot of the arc moves on the ring electrode and excessive wear of the ring electrode is avoided. The non-contact guidance of the arc by the magnetic and electromagnetic field that can be generated by the arc manipulator contributes to the fact that the arc can be moved locally without impairing the flow behavior of the plasma jet. Moreover, the manipulation of the arc by a magnetic and electromagnetic field has the advantage that the magnetic force for deflecting the arc and / or the speed of movement of the arc manipulator are freely variable. In contrast, the manipulation of the arc according to the principle of gas turbulence in terms of speed and power is limited.
Der Plasmabrenner ist zur Bearbeitung sowohl elektrisch nichtleitender als auch elektrisch leitender Werkstücke geeignet.The plasma burner is suitable for processing both electrically non-conductive and electrically conductive workpieces.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind mit weiteren Einzelheiten in den Unteransprüchen angegeben.Preferred embodiments of the invention are given in further detail in the subclaims.
Erfindungsgemäß weist der Lichtbogenmanipulator wenigstens einen entlang des Umfangs der Ringelektrode bewegbaren Permanentmagnet auf. Durch den umlaufenden Permanentmagneten wird erreicht, dass die Ortslage des Lichtbogens, insbesondere der Fuß des Lichtbogens, durch das sich räumlich ändernde magnetische Feld entlang des Umfangs der Ringelektrode verändert wird. Die Änderung der Ortslage des Lichtbogens hat den Vorteil, dass die Ringelektrode geschont wird und damit weniger schnell verschleißt.According to the invention, the arc manipulator has at least one permanent magnet movable along the circumference of the ring electrode. Due to the revolving permanent magnet is achieved that the location of the arc, in particular the foot of the arc is changed by the spatially changing magnetic field along the circumference of the ring electrode. The change of the location of the arc has the advantage that the ring electrode is spared and thus less quickly wears.
Der Permanentmagnet weist einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb aufweisen, wodurch auf einfache Weise der Umlauf des Permanentmagneten bewirkt wird. Der pneumatische Antrieb hat den Vorteil, dass im Plasmabrenner ohnehin vorhandene Gassysteme, wie beispielsweise das System zur Zufuhr von Schutzgas oder das System zur Zufuhr von Plasmagas zusätzlich zum Antrieb des Permanentmagneten verwendet werden können. Entsprechend kann eine im Plasmabrenner geführte Kühlflüssigkeit bzw. ein Kühlmedium als hydraulischer Antrieb des Permanentmagneten verwendet werden.The permanent magnet has a pneumatic or hydraulic drive, whereby the circulation of the permanent magnet is effected in a simple manner. The pneumatic drive has the advantage that in the plasma torch already existing gas systems, such as the system for supplying inert gas or the system for supplying plasma gas in addition to the drive of the permanent magnet can be used. Accordingly, a guided in the plasma torch coolant or a cooling medium can be used as a hydraulic drive of the permanent magnet.
Erfindungsgemäß weist die Ringelektrode einen Hohlkanal auf, in dem der Permanentmagnet in Umfangsrichtung der Ringelektrode beweglich angeordnet ist. Die Integration des Permanentmagneten in die Ringelektrode führt zu einer kompakten Bauweise. Außerdem hat der Hohlkanal mit in Umfangsrichtung geschlossener Wandung den Vorteil, dass dieser im Zusammenhang mit dem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb verwendet werden kann. Dazu kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Hohlkanal mit einer Gaszuführung, insbesondere Schutzgas- und/oder Plasmagaszuführung oder mit einer Flüssigkeitszuführung, insbesondere Kühlmediumzuführung, fluidverbunden ist. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, den Antrieb des Permanentmagneten durch ohnehin vorhandene Medien, wie beispielsweise Schutzgas, Plasmagas und Kühlmedium zu verwirklichen.According to the invention, the ring electrode has a hollow channel in which the permanent magnet is movably arranged in the circumferential direction of the ring electrode. The integration of the permanent magnet in the ring electrode leads to a compact design. In addition, the hollow channel with closed in the circumferential direction wall has the advantage that this can be used in conjunction with the pneumatic or hydraulic drive. For this purpose, it can be provided in a preferred embodiment that the hollow channel with a gas supply, in particular inert gas and / or plasma gas supply or with a liquid supply, in particular cooling medium supply, fluidly connected. This opens up the possibility to realize the drive of the permanent magnet by already existing media, such as inert gas, plasma gas and cooling medium.
Vorzugsweise mündet wenigstens ein Zufuhrkanal in den Austrittsbereich der Düse. Zufuhrkanal dient zur Kühlung der Ringelektrode und/oder zur Kühlung der abzusaugenden Gase. Die Möglichkeit, die Luftzufuhr durch den Zufuhrkanal zu regulieren, bspw. durch Steuer- oder Regeleinheit, eröffnet die Möglichkeit, die Kühlleistung zu ändern und/oder den Druck der zugeführten Luft an das Dichtvermögen des Dichtmittels anzupassen, so dass kein Staub aus dem Dichtbereich entweichen kann.Preferably, at least one feed channel opens into the exit region of the nozzle. Supply channel is used to cool the ring electrode and / or to cool the gases to be sucked. The ability to regulate the supply of air through the supply channel, for example by control or regulating unit, opens the possibility to change the cooling capacity and / or adjust the pressure of the supplied air to the sealing ability of the sealant, so that no dust escape from the sealing area can.
Die Düse und die Ringelektrode können ein integrales Bauteil oder zwei gesonderte Bauteile bilden.The nozzle and the ring electrode may form an integral component or two separate components.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes durch Schneiden und Fugenhobeln beruht auf dem Gedanken, einen Plasmastrahl dadurch zu erzeugen, dass ein ionisierbares Gas einem Lichtbogen zugeführt wird, der zwischen einer ersten und zweiten Elektrode, insbesondere Kathode und Anode eines Plasmabrenners brennt, wobei der Plasmastrahl aus seiner Düse austritt, auf das Werkstück auftrifft und Material vom Werkstück abträgt. Der Lichtbogen läuft dabei auf dem Umfang der zweiten Elektrode, die eine Ringelektrode bildet um. Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Plasmastrahl weitestgehend unbeeinflusst durch die Ringelektrode strömen kann und somit zumindest durch die Ringelektrode keine Geschwindigkeitsverluste erleidet. Außerdem wird die Ringelektrode thermisch geschont, da der Lichtbogen auf dem Umfang der Ringelektrode umläuft.The inventive method for machining a workpiece by cutting and gouging based on the idea of generating a plasma jet in that an ionizable gas is supplied to an arc which burns between a first and second electrode, in particular cathode and anode of a plasma burner, wherein the plasma jet emerges from its nozzle, hits the workpiece and removes material from the workpiece. The arc runs on the circumference of the second electrode, which forms a ring electrode to. The method has the advantage that the plasma jet can flow largely uninfluenced by the ring electrode and thus suffers no loss of speed at least through the ring electrode. In addition, the ring electrode is thermally protected because the arc rotates on the circumference of the ring electrode.
Mit dem Verfahren können sowohl elektrisch nichtleitende als auch elektrisch leitende Werkstücke bearbeitet werden.With the method both electrically non-conductive and electrically conductive workpieces can be edited.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten erläutert und beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur einen Längsschnitt durch den Brennerkopf eines Plasmabrenners nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bei der Werkstückbearbeitung.The invention will be explained and described below with reference to an embodiment shown in the drawing with further details. The single FIGURE shows a longitudinal section through the burner head of a plasma torch according to an embodiment of the invention in the workpiece machining.
Der in der einzigen Figur dargestellte Plasmabrenner ist wie folgt aufgebaut:
Der Plasmabrenner umfasst einen Brennerkopf
The plasma torch comprises a
Der Düsenkörper
Der Plasmabrenner gemäß der einzigen Figur weist eine Anode
Die Bearbeitung elektrisch leitender Werkstücke ist auch möglich, bspw. das Schneiden von Kohlefasermatten, die mit herkömmlichen Plasmaschneidverfahren nicht zu schneiden sind. Eine weitere Anwendung sind Flächenabtragsverfahren.The processing of electrically conductive workpieces is also possible, for example. The cutting of carbon fiber mats, which are not to cut with conventional plasma cutting process. Another application is surface removal.
Bei der Anode
Konkret ist die Düse
Die Ringanode
Die Ringanode
Durch die Ringanode
Die Verbindung der Ringanode bzw. generell der Anode
Allgemein kann vorgesehen sein, dass zwischen der Anode und der Düse ein Isolator mit wenigstens einem Luftkanal, bzw. Zufuhrkanal angeordnet ist, der in den Austrittsbereich der Düse, insbesondere in den Bereich der Anode mündet. Dabei kann die Luftzufuhr durch den wenigstens einen Luftkanal, insbesondere durch die Luftkanäle reguliert werden. Durch den Isolator kann die Anode mit der Düse verbunden werden, die somit einen Teil des Brennerkopfes bildet. Der Isolator bietet die Möglichkeit, den Brennerkopf mit der Anode als kompaktes, einteiliges Bauteil auszubilden. Die in den Bereich der Anode bzw. in den Austrittsbereich der Düse mündenden Luftkanäle bzw. der einzige Luftkanal dient zur Kühlung der Anode und zur Kühlung der abzusaugenden Gase. Die Möglichkeit, die Luftzufuhr durch den Luftkanal zu regulieren eröffnet die Möglichkeit, den Druck der zugeführten Luft an das Dichtvermögen des Dichtmittels anzupassen, so dass kein Staub aus dem Dichtbereich entweichen kann.In general, it can be provided that an insulator with at least one air channel or feed channel is arranged between the anode and the nozzle, which opens into the outlet region of the nozzle, in particular into the region of the anode. In this case, the air supply can be regulated by the at least one air duct, in particular by the air ducts. Through the insulator, the anode can be connected to the nozzle, which thus forms part of the burner head. The insulator offers the possibility of forming the burner head with the anode as a compact, one-piece component. The air channels opening into the region of the anode or into the outlet region of the nozzle or the only air channel serves for cooling the anode and for cooling the gases to be sucked off. The ability to regulate the air supply through the air duct opens up the possibility of adapting the pressure of the supplied air to the sealing ability of the sealant, so that no dust can escape from the sealing area.
Der Manipulator
Der ringförmige Hohlraum, in dem der Manipulator
The annular cavity in which the
Der pneumatische oder hydraulische Antrieb funktioniert dadurch, dass im Hohlkanal eine Strömung ausgebildet wird, die den Manipulator
Die Anode
Die Polarität der ersten und zweiten Elektrode ist frei wählbar.The polarity of the first and second electrodes is freely selectable.
In der einzigen Figur ist ferner die Absaugeinrichtung
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Absaugeinrichtung
Das Absaugrohr
Anstelle des Absaugrohrs
Der Brennerkopf
Konkret umfasst das Dichtmittel
Als weiteres Dichtmittel
Der Plasmabrenner gemäß der einzigen Figur funktioniert wie folgt:
Zunächst wird ein Lichtbogen L zwischen der Kathode
First, an arc L between the
Als Plasmagase können beispielsweise verwendet werden: Luft, O2, N2, AR/H2, He. Als Schutzgase können beispielsweise verwendet werden: Luft, O2, N2, CO2, Wasser. Wenn Wasser als Sekundärfluid verwendet wird bzw. als Schutzmittel wird dem Filter ein Kondensator (nicht dargestellt) vorgeschaltet, in dem Wasser wieder kondensieren kann. Das Schutzgas kann auch entfallen.Examples of plasma gases which can be used are: air, O 2 , N 2 , AR / H 2 , He. As protective gases can be used, for example: air, O 2 , N 2 , CO 2 , water. If water is used as a secondary fluid or as a protective agent, the filter is preceded by a condenser (not shown) in which water can condense again. The protective gas can also be omitted.
Typische Durchflussmengen sind beispielsweise 20–80 L/Min. Plasmagas und 5–200 L/Min. Schutzgas (0,3–0,7 L/Min. Wasser). Die Schneidströme können 100 A–1600 A betragen. Die Menge der Absaugluft richtet sich nach der eingebrachten elektrischen Leistung und liegt zwischen 5–25 m2/H pro kW eingebrachte Leistung. Bei diesen Absaugmengen ist gewährleistet, dass die resultierende Abgastemperatur nicht über 65° Celsius ansteigt.Typical flow rates are for example 20-80 L / min. Plasma gas and 5-200 L / min. Inert gas (0.3-0.7 L / min. Water). The cutting currents can be 100 A-1600 A. The amount of exhaust air depends on the electrical power input and is between 5-25 m 2 / H per kW of power input. With these extraction quantities, it is ensured that the resulting exhaust gas temperature does not rise above 65 ° Celsius.
Der in der Figur dargestellte Plasmabrenner hat den Vorteil, dass die Kontamination mit Staub bauseitig vermieden wird. Außerdem kann mittels des Plasmabrenners der Bearbeitungsprozess automatisiert werden. Die Bearbeitung ist relativ unempfindlich gegenüber Abstandsveränderungen zwischen dem Werkstück W und dem Plasmabrenner. Aufgrund der Anoden/Kathoden-Kombination ist das Verfahren materialunabhängig. Insbesondere sind die Vorrichtung und das Verfahren zur Bearbeitung elektrisch nicht leitender oder elektrisch schlecht leitender Werkstücke ebenso wie zur Bearbeitung elektrisch leitender Werkstoffe geeignet.The plasma torch shown in the figure has the advantage that the contamination with dust is avoided on site. In addition, the machining process can be automated by means of the plasma torch. The machining is relatively insensitive to changes in the distance between the workpiece W and the plasma torch. Due to the anode / cathode combination, the process is material independent. In particular, the apparatus and the method for processing electrically non-conductive or electrically poorly conductive workpieces as well as for processing electrically conductive materials are suitable.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Brennerkopfburner head
- 1111
- Kathodecathode
- 12a12a
- erste Gasführungfirst gas flow
- 12b12b
- zweite Gasführungsecond gas flow
- 1313
- Düsejet
- 1414
- Absaugeinrichtungsuction
- 1515
- Dichtmittelsealant
- 1616
- Anode/RinganodeAnode / anode ring
- 1717
- Manipulatormanipulator
- 1818
- Absaugrohrsuction tube
- 1919
- Schleppetrain
- 2020
- Schürzeapron
- 2121
- Isolatorinsulator
- 2222
- Zufuhrkanalsupply channel
- 2323
- Elektrodenhalterelectrode holder
- 2424
- erste Kühlungfirst cooling
- 2525
- Düsenkörpernozzle body
- 2626
- zweite Kühlungsecond cooling
- 2727
- Düsenkappenozzle cap
- 2828
- Öffnungopening
- 2929
- BundFederation
- 3030
- DurchtrittsöffnungThrough opening
- LL
- LichtbogenElectric arc
- WW
- Werkstückworkpiece
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