DE102017006916A1

DE102017006916A1 - System und Verfahren für Plasmalichtbogentransfer zum Plasmaschneiden

Info

Publication number: DE102017006916A1
Application number: DE102017006916.6A
Authority: DE
Inventors: Steven R. Peters; William T. Matthews; Laurent Majerus
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2018-01-25
Also published as: US9833860B1; CN107639329B; CN107639329A

Abstract

Es werden ein Plasmalichtbogenschneidsystem (400) und ein Plasmalichtbogenschneidverfahren bereitgestellt, die einen festen Lichtbogenstartstrom bereitstellen, bis eine Trennung zwischen der Brennerdüse (203, N) und der Elektrode (201, E) eintritt. Nach der Trennung wird der Strom für einen Zeitraum (t) auf einen niedrigen Strompegel gesenkt, und dann werden Stromimpulse bereitgestellt, bis ein Arbeitsstrom in einem zu schneidenden Werkstück (W) detektiert wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Plasmalichtbogenschneidvorgangs nach Anspruch 1 und ein Plasmaschneidsystem gemäß der Ansprüche 8, 13 und 14. Geräte, Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung betreffen das Plasmaschneiden, und betreffen insbesondere Geräte, Systeme und Verfahren im Zusammenhang mit Plasmalichtbogenschneidbrennern und deren Komponenten.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In vielen Schneid-, Sprüh- und Schweißoperationen werden Plasmalichtbogenbrenner eingesetzt. Bei diesen Brennern wird ein Plasmagasstrahl mit hoher Temperatur in die umgebende Atmosphäre ausgestoßen. Die Strahlen werden aus einer Düse abgegeben, und wenn die Strahlen die Düse verlassen, sind sie hochgradig verengt und sehr fokussiert. Jedoch sind viele der Komponenten des Brenners aufgrund der hohen Temperaturen, die der ionisierte Plasmastrahl erzeugt, störungsanfällig. Diese Störungsanfälligkeit wird während des Lichtbogentransfers am Beginn eines Plasmaschneidvorgangs verstärkt. Der Schaden entsteht, wenn der Plasmalichtbogen die Komponenten innerhalb des Brenners bei hohen Strompegeln berührt. Der Schaden kann einen verfrühten Ausfall der Komponenten verursachen, und dieser Ausfall kann die Funktion des Brenners erheblich beeinträchtigen und die korrekte Lichtbogenzündung am Beginn eines Schneidvorgangs verhindern.
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
BESCHREIBUNG
Zur Verbesserung der Lebensdauer von Brennerkomponente werden ein Verfahren zum Starten eines Plasmalichtbogenschneidvorgangs nach Anspruch 1 beschrieben sowie ein Plasmaschneidsystem gemäß der Ansprüche 1, 13 und 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Plasmabrennersystem und ein Verfahren zum Starten des Plasmabrenners, die dafür ausgelegt sind, Leistung und Langlebigkeit des Brenners zu optimieren. Genauer gesagt, sind beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit einem verbesserten Startverfahren ausgestattet, um Schäden während des Lichtbogentransfers zu minimieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung offenkundiger, wobei in der Zeichnung Folgendes zu sehen ist:
1 ist eine schaubildhafte Darstellung eines beispielhaften Schneidsystems, das mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
2A bis 2D sind schaubildhafte Darstellungen eines Abschnitts des Kopfes einer beispielhaften Ausführungsform eines luftgekühlten Brenners der vorliegenden Erfindung in anderen Positionen;
3 ist eine schaubildhafte Darstellung einer Spannungs- und Stromwellenform eines Lichtbogentransfervorgangs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schaubildhafte Darstellung eines beispielhaften Strompfades von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
5 ist eine schaubildhafte Darstellung von beispielhaften Spannungs-, Arbeitsstrom- und Stromwellenformen einer weiteren Ausführungsform eines Lichtbogentransfervorgangs.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wir wenden uns nun ausführlich verschiedenen und alternativen beispielhaften Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen zu, wobei gleiche Bezugszahlen im Wesentlichen identische Strukturelemente darstellen. Jedes Beispiel dient lediglich der Erläuterung und nicht der Einschränkung. Dem Fachmann ist klar, dass Modifizierungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang oder Wesen der Offenbarung und der Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer bestimmten Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, in einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Somit ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung alle Modifizierungen und Variationen erfasst, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Plasmalichtbogenbrenner, die sich für verschiedene Schneid-, Schweiß- und Sprüharbeiten eignen. Genauer gesagt, betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung luftgekühlte Plasmalichtbogenbrenner, während andere flüssigkeitsgekühlte Ausführungsformen betreffen. Natürlich können einige der im vorliegenden Text beschriebenen Merkmale in beiden Brennerkonfigurationen verwendet werden, ohne die Neuheit der beispielhaften Ausführungsformen zu schmälern. Weitere beispielhafte Ausführungsformen betreffen luftgekühlte Plasmalichtbogenbrenner, die Rückzugs-Lichtbogenbrenner sind. Wie dem Fachmann allgemein bekannt ist, sind Rückzugs-Lichtbogenbrenner Brenner, bei denen die Elektrode zum Zweck der Lichtbogenzündung in Kontakt mit der Düse steht und dann die Elektrode von der Düse zurückgezogen wird, so dass der Lichtbogen anschließend durch einen Hals der Düse gerichtet wird. Bei anderen Arten von Rückzugsbrennern bleibt die Elektrode stationär, und die Düse wird bewegt. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf beide Arten Anwendung finden. Aufbau und Funktionsweise dieser Brenner sowie flüssigkeitsgekühlter Brenner sind allgemein bekannt, weshalb ihr Aufbau und ihre Funktionsweise hier nicht im Einzelnen erörtert werden. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können entweder in handgeführten oder mechanisierten Plasmaschneidarbeiten verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die folgende Besprechung zum Zweck der Kürze und Klarheit beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ins Auge fasst, die sich vor allem auf einen handgeführten Plasmabrenner zum Schneiden beziehen. Jedoch sind die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diesbezüglich nicht beschränkt, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch in Schweiß- und Sprühbrennern verwendet werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Gewünschtenfalls sind verschiedene Arten und Größen von Brennern für variierende Leistungspegel möglich. Beispielsweise können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Schneidvorgängen verwendet werden, die einen Schneidstrom im Bereich von 40 bis 100 Ampere verwenden und Werkstücke mit einer Dicke von bis zu 0,075 Inch schneiden können, und in anderen Ausführungsformen Werkstücke mit einer Dicke von bis zu 1,5 Inch schneiden können. Des Weiteren könnten die im vorliegenden Text beschriebenen Brenner und Komponenten zum Markieren, Schneiden oder Metallabtragen verwendet werden. Zusätzlich können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit variierenden Strömen und variierenden Leistungspegeln verwendet werden. Aufbau und Nutzung von Luftkühlmittelsystemen des Typs, der mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, sind bekannt und brauchen im vorliegenden Text nicht ausführlich besprochen zu werden.
Wir wenden uns nun 1 zu, wo ein beispielhaftes Schneidsystem 100 gezeigt ist. Das System 100 enthält eine Stromversorgung 10, die ein Gehäuse 12 mit einer angeschlossenen Brennerbaugruppe 14 enthält. Das Gehäuse 12 enthält die verschiedenen herkömmlichen Komponenten zum Steuern eines Plasmalichtbogenbrenners, wie zum Beispiel eine Stromversorgung, einen Plasmastartkreis, Luftregler, Sicherungen, Transistoren, Eingangs- und Ausgangsanschlüsse für Strom und Gas, Steuereinheiten, Leiterplatten usw. Die Brennerbaugruppe 14 ist an einer Vorderseite 16 des Gehäuses angebracht. Die Brennerbaugruppe 14 enthält in ihrem Inneren elektrische Verbinder, um eine Elektrode und eine Düse innerhalb des Brenner-Endes 18 mit elektrischen Verbindern in dem Gehäuse 12 bis verbinden. Es können separate elektrische Pfade für einen Pilotlichtbogen und einen Arbeitslichtbogen bereitgestellt werden, wobei Schaltelemente in dem Gehäuse 12 angeordnet sind. Eine Gaszuleitung ist ebenfalls innerhalb der Brennerbaugruppe vorhanden, um das Gas, das der Plasmalichtbogen wird, zu der Brennerspitze zu transferieren, wie später noch besprochen wird. Verschiedene Nutzereingabevorrichtungen 20, wie zum Beispiel Knöpfe, Schalter und/oder Stellknaufe, können an dem Gehäuse 12 zusammen mit verschiedenen elektrischen und Gasverbindern bereitgestellt werden.
Es versteht sich, dass das in 1 veranschaulichte Gehäuse 12 lediglich ein einzelnes Beispiel einer Plasmalichtbogenbrennervorrichtung ist, die Aspekte der im vorliegenden Text offenbarten erfinderischen Konzepte verwenden könnte. Dementsprechend darf die obige allgemeine Offenbarung und Beschreibung im Hinblick auf die Arten oder Größen von Plasmalichtbogenbrennervorrichtungen, die die offenbarten Brennerelemente verwenden könnten, in keiner Weise als einschränkend angesehen werden. Des Weiteren kann die Stromversorgung 10 ähnlich aufgebaut sein wie bei bekannten Plasmaschneidstromversorgungen, die in der im vorliegenden Text beschriebenen Weise arbeiten können. Die Stromversorgung 10 kann eine Computersteuereinheit haben, die jede bekannte Computervorrichtung sein kann, und die Leistungselektronik kann jede Art von Leistungselektronik sein, wie zum Beispiel Inverter-gestützt oder Transformator-gestützt. Steuereinheiten dieses Typs und ihre Verwendung und Funktion sind dem Fachmann allgemein bekannt, wie auch ihre Einbindung in Plasmaschneidstromversorgungen. Die Steuereinheit in der Stromversorgung würde dafür verwendet werden, den Ausgangsstrom und/oder die Ausgangsspannung und den Gesamtbetrieb zu steuern, wie im vorliegenden Text beschrieben. Die Steuereinheit würde mit internen Stromerzeugungs- und -ausgabekreisen des Typs gekoppelt werden, den man allgemein für Plasmaschneidstromversorgungen kennt, um den Ausgangsstrom zum Starten des Plasmaschneidvorgangs, wie im vorliegenden Text beschrieben, sowie den gewünschten Ausgangsschneidstrom zu steuern. Weil dem Fachmann die Stromversorgungs- und Stromerzeugungskomponenten sowie ihre Steuerung bekannt sind, werden ihr genauer Aufbau und ihre Funktionsweise im vorliegenden Text nicht im Detail beschriebenen.
Wie in 1 gezeigt, enthält die Brennerbaugruppe 14 einen Verbinder 22 an einem Ende zum Anbringen an einem komplementären Verbinder 23 des Gehäuses 12. Bei einer derartigen Verbindung werden die verschiedenen elektrischen und Gasdurchgänge, die durch den Schlauchabschnitt 24 der Brennerbaugruppe 14 hindurch verlaufen, so verbunden, dass die relevanten Abschnitte des Brenners 200 mit den relevanten Abschnitten in dem Gehäuse 12 verbunden werden. Der in 1 gezeigte Brenner 200 hat einen Verbinder 201 und ist vom handgeführten Typ; aber wie oben erläutert, kann der Brenner 200 auch vom mechanisierten Typ sein. Der allgemeine Aufbau des Brenners 200, wie zum Beispiel Handgriff, Auslöser usw., kann dem Aufbau bekannter Brenner ähneln und braucht im vorliegenden Text nicht ausführlich besprochen zu werden. Jedoch befinden sich innerhalb des Brenner-Endes 18 die Komponenten des Brenners 200, die das Erzeugen und Aufrechterhalten des Lichtbogens für Schneidzwecke ermöglichen, und einige dieser Komponenten werden unten ausführlicher besprochen. Genauer gesagt, gehören zu einigen der unten besprochenen Komponenten die Brennerelektrode, die Düse, die Abschirmung und der Drallring.
2A bis 2D zeigen den Querschnitt eines beispielhaften Brennerkopfes 200a von bekanntem Aufbau. Es ist anzumerken, dass viele der Komponenten des Brennerkopfes 200a aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind. Wie gezeigt, enthält der Brenner 200a mindestens eine Elektrode 201, eine Düse 203, einen Halter 205 und einen Einsatz 207 innerhalb des distalen Endes der Elektrode 201. Der Einsatz 207 kann aus Hafnium oder anderen ähnlichen Materialien bestehen. Am Anfang eines Schneidvorgangs steht die Elektrode 201 in Kontakt mit einer Innenfläche der Düse 203, wie in 2A gezeigt. Die Elektrode 201 und die Düse 203 sind so aufgebaut, dass der Einsatz mit einer Austrittsöffnung in der Düse 203 zentriert ist. Letztendlich erstreckt sich der erzeugte Lichtbogen von dem Einsatz 207 durch die Öffnung und aus dem Brenner 200a heraus. Wenn der Schneidvorgang startet, wird ein elektrischer Strom bereitgestellt, der von der Elektrode 201 über die Kontaktflächen zu der Düse 203 fließt. Außerdem wird ein Schutzgas bereitgestellt, das zwischen der Elektrode 201 und der Düse 203 strömt. Wie in 2B gezeigt, bewirkt diese Gasströmung, wenn sie einen bestimmten Druckpegel erreicht, eine Trennung zwischen der Elektrode 201 und der Düse 203. Wenn sich diese Komponenten trennen, so wird ein Lichtbogen zwischen den Komponenten erzeugt, wie gezeigt. Die Trennung zwischen der Elektrode 201 und der Düse 203 wird größer, und der Lichtbogen wird durch die Schutzgasströmung in Richtung der Öffnung der Düse 203 gedrückt. Dies ist allgemein in 2C gezeigt. Nachdem der Lichtbogen die Öffnung erreicht hat (2C), tritt der Lichtbogen dann aus der Düse 203 aus, und der stromaufwärtige Abschnitt des Lichtbogens bewegt sich zu dem Einsatz 207, so dass der Lichtbogen von dem Einsatz nach außerhalb der Öffnung hervorsteht. Dies ist allgemein in 2D gezeigt und wird als der Pilotlichtbogen bezeichnet – bevor er einen Kontakt mit einem Werkstück herstellt.
Wir wenden uns nun 3 zu, wo beispielhafte Strom- und Spannungswellenformen während eines Lichtbogenstart- und Lichtbogentransferabschnitts eines Plasmaschneidvorgangs gezeigt sind. Es ist anzumerken, dass die in 3 gezeigte Ausführungsform beispielhaft sein soll und dass andere beispielhafte Ausführungsformen nicht darauf beschränkt sind. Die Spannungswellenform 300 und die Stromwellenform 350 entsprechen einander. Wie oben erläutert, steht die Brennerelektrode während eines Plasmalichtbogenstartprozesses in Kontakt mit der Düse, so dass Strom zwischen den beiden Komponenten fließen kann. Während dieser Anfangsstufe des Startprozesses wird der Strom auf einem ersten Pegel 351 gehalten. In beispielhaften Ausführungsformen liegt dieser Strompegel im Bereich von 20 bis 30 Ampere. In anderen Ausführungsformen liegt der Strom im Bereich von 23 bis 28 Ampere und kann zum Beispiel 25 Ampere betragen. In beispielhaften Ausführungsformen ist die Spannung während dieser Anfangsphase kleiner als 20 Volt. Dieser Strompegel 351 wird eine Zeitlang aufrecht erhalten, während die Elektrode kurzgeschlossen wird und während der Druck des Gases (Schutz- und/oder Schneidgas) erhöht wird. Wenn der Gasdruck einen bestimmten Pegel erreicht, wird die Elektrode von der Düse fortgezogen. In beispielhaften Ausführungsformen kann es zwischen 100 und 500 ms dauern, bis die Elektrode sich von der Düse fort hebt – ab dem Moment, wo die Gasströmung beginnt. Natürlich kann in anderen Ausführungsformen in Abhängigkeit von Faktoren wie zum Beispiel Luftdruck, Brennerlänge usw. eine andere Zeit erreicht werden. Wenn die Stromversorgung die Trennung der Düse (B) und der Elektrode detektiert (zum Beispiel über einen detektierten Spannungsanstieg), so wird der Strompegel auf einen zweiten Pegel 353 gesenkt und über eine Dauer t gehalten. Der zweite Strompegel 353 ist niedriger als der erste Pegel 351 und kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen im Bereich von 10 bis 20 Ampere liegen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Pegel 353 im Bereich von 13 bis 17 Ampere liegen und kann zum Beispiel 15 Ampere betragen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt der zweite Strompegel im Bereich von 30 bis 55% unterhalb des ersten Pegels. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt der zweite Pegel im Bereich von 35 bis 45% unterhalb des ersten Pegels. Während dieser anfänglichen Trennung der Elektrode und der Düse wird der Pilotlichtbogen zwischen der Düse und der Elektrode erzeugt, und der ausgewählte Strom sollte auf einem Pegel liegen, der es erlaubt, dass ein anfänglicher Lichtbogen entsteht, wenn die Trennung eintritt. Dieser niedrige Strompegel wird während der Zeit aufrecht erhalten, die der Lichtbogen sich entlang der Schulter der Elektrode bewegt, bis er den Hafniumeinsatz 207 erreicht. Dieser niedrige Strompegel hilft zu verhindern, dass der Pilotlichtbogen Brennerkomponenten (zum Beispiel die Elektrodenschulter) beschädigt, wenn der Lichtbogen erzeugt wird und sich entlang der Elektrode bewegt. Der Zeitraum t für diesen niedrigen Strompegel 353 kann von einer vorgegebenen Dauer sein, die in einigen Ausführungsformen im Bereich von 5 bis 40 ms liegt. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann er im Bereich von 10 bis 25 ms liegen und kann zum Beispiel 20 ms betragen. Jedoch kann die Dauer t in anderen beispielhaften Ausführungsformen auf der Erreichung eines Spannungsschwellenpegels basieren. Zum Beispiel wird, wie in 3 gezeigt, wenn die Spannung Punkt C erreicht, der zweite Strompegel gestoppt, und ein erster Stromimpuls 355 wird initiiert. Die Spannungsschwelle C kann ein vorgegebener Schwellenpegel sein und kann zum Beispiel im Bereich von 65 bis 85% des Spitzenspannungspegels der Spannungsimpulse 307 liegen. In anderen Ausführungsformen kann der vorgegebene Spannungspegel im Bereich von 70 bis 80% des Spitzenpegels der Spannungsimpulse 307 liegen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Spannungsschwellenpegel im Bereich von 80 bis 120 Volt liegen.
Wie in den 2B bis 2D gezeigt, wird, wenn sich die Elektrode von der Düse fort hebt, der Lichtbogen entlang der Düse verschoben, bis er die Öffnung der Düse erreicht. Wie in diesen Figuren gezeigt, wandert der Lichtbogen entlang der Düse, bis er die Austrittsöffnung der Düse erreicht. In diesem Moment wird der Lichtbogen durch die Öffnung herausgedrückt (2D). In ähnlicher Weise bewegt sich der Lichtbogen entlang der Schulter der Elektrode, bis er zu dem Hafnium-Einsatz 207 bewegt wird. Wenn der Lichtbogen aus der Öffnung gedrückt wird, so wird er der Pilot- oder nicht-transferierte Lichtbogen.
Nachdem der Pilotlichtbogen gebildet wurde, wobei der Lichtbogen durch die Öffnung gedrückt wird und der Lichtbogen dem Hafnium-Einsatz 207 entspringt, werden eine Reihe von Stromimpulsen 355 initiiert. Die Impulse haben einen relativ hohen Strompegel und eine relativ niedrige Frequenz. Dadurch kann sich der Pilotlichtbogen stabilisieren und einen ordnungsgemäßen Lichtbogentransfer zum Werkstück ermöglichen, ohne die Brennerkomponenten merklich zu beschädigen, wodurch die Grenznutzungsdauer der Brennerkomponenten, wie zum Beispiel der Elektrode und der Düse, verlängert wird. In beispielhaften Ausführungsformen haben die Impulse einen Spitzenstrom im Bereich von 30 bis 55 Ampere, und kann in einigen Ausführungsformen im Bereich von 35 bis 45 Ampere liegen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen haben die Impulse 355 einen Strom, der im Bereich von 35 bis 75% über dem Strom für den ersten Strompegel 351 liegt. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Spitzenstrom für die Impulse 355 im Bereich von 50 bis 65% über dem Strompegel für den ersten Strompegel 351. In beispielhaften Ausführungsformen liegt der Hintergrundstrompegel 357 zwischen den Impulsen im Bereich von 8 bis 20 Ampere, und kann in anderen beispielhaften Ausführungsformen im Bereich von 11 bis 18 Ampere liegen. Des Weiteren hat in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der pulsierende Abschnitt der Stromwellenform einen durchschnittlichen Strom, der kleiner als 30 Ampere ist.
Durch das Pulsieren des Stroms kann der Pilotlichtbogen länger werden, wodurch sich der Pilotlichtbogen unter Umständen leichter mit dem Werkstück verbinden kann, aber der hohe Strompegel wird nicht beibehalten (falls keine Verbindung zustande kommt), um eine Beschädigung der Komponenten zu begrenzen. Des Weiteren ist in beispielhaften Ausführungsformen der Übergang zwischen den Hintergrundstrompegeln 357 und den Spitzenpegeln 355 relativ langsam. Diese langsamere Anstiegsrate hilft dabei, einen stabilen Lichtbogenübergang zwischen niedrigen und hohen Strompegeln zu ermöglichen. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Stromanstiegsrate im Bereich von 1 bis 10 A/ms liegen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Anstiegsrate im Bereich von 3 bis 7 A/ms. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine sehr geringe Wärmezufuhr zu den Brennerkomponenten erreicht, bevor der Lichtbogen einen Kontakt mit einem Werkstück herstellt.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Frequenz für die Stromimpulse im Bereich von 0,25 bis 30 Hz. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird der Strom mit einer Frequenz im Bereich von 8 bis 25 Hz bereitgestellt, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Frequenz im Bereich von 12 bis 20 Hz. Jedoch liegt in anderen beispielhaften Ausführungsformen die Frequenz im Bereich von 0,25 bis 8 Hz, während in wieder anderen beispielhaften Ausführungsformen die Frequenz im Bereich von 1 bis 5 Hz liegt.
Wie in 3 gezeigt, erfolgt der erste Stromimpuls nach der Trennung zwischen Elektrode und Düse, bevor die Spannung den Spitzenspannungspegel für die Spannungsimpulse 307 erreicht. In beispielhaften Ausführungsformen liegt die Spitzenspannung C' des anfänglichen Spannungsimpulses 305 im Bereich von 65 bis 90% des Spitzenspannungspegels der Impulse 307. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Spitzenspannung C' im Bereich von 70 bis 80% des Spitzenspannungspegels der Impulse 307 liegen. In beispielhaften Ausführungsformen liegt die Spitzenspannung der Impulse 307 im Bereich von 140 bis 190 Volt, während in anderen beispielhaften Ausführungsformen die Spitzenspannung der Impulse 307 im Bereich von 150 bis 180 Volt liegt.
In beispielhaften Ausführungsformen können die Stromimpulse 355 eine relativ kurze Spitzendauer haben. Zum Beispiel liegt in einigen beispielhaften Ausführungsformen die Spitzenstromdauer im Bereich von 4 bis 20 ms. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Spitzendauer im Bereich von 6 bis 14 ms. Zwischen jedem der Impulse 355 liegt ein Hintergrundstrompegel 357. In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Hintergrundstrompegel 357 der gleiche wie der zweite Strompegel 353. In anderen Ausführungsformen muss das hingegen nicht der Fall sein, da der Hintergrundstrom 357 entweder höher oder niedriger als der zweite Strompegel 353 sein kann. In einigen beispielhaften Ausführungsformen liegt der Hintergrundstrompegel 357 im Bereich von 8 bis 20 Ampere, und in weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt der Hintergrundstrompegel im Bereich von 11 bis 18 Ampere. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt das Verhältnis von Spitzenimpulsstrom (355) zu Hintergrundstrom (357) im Bereich von 2:1 bis 3,5:1. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt das Verhältnis von Spitzenimpulsstrom (355) zu Hintergrundstrom (357) im Bereich von 2,3:1 bis 3:1.
Die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen reduzieren in hohem Maße den Verschleiß der Brennerkomponenten sowohl während des Übergangs von der Lichtbogenentstehung zur Düsenöffnung als auch während des Pilotlichtbogens vor dem Lichtbogenkontakt mit dem Werkstück. Das Pulsieren des Stroms erlaubt eine intermittierende längere Reichweite des Lichtbogens, während nach wie vor eine insgesamt geringere Wärmezufuhr vor dem Lichtbogenkontakt sichergestellt wird. Dies verlängert die Grenznutzungsdauer der Brennerkomponenten, wie zum Beispiel der Elektrode und der Düse, beträchtlich.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wächst der Pilotlichtbogen mit jedem Stromimpuls 355. Während mindestens eines Teils des oben beschriebenen Pulsationszeitraums stehen sowohl das zu schneidende Werkstück als auch die Düse in Kontakt miteinander. In dem Maße jedoch, wie die Impulse den Pilotlichtbogen vergrößern, nimmt während des Pulsierens der Strompegel durch das Werkstück zu. Wenn der detektierte Strom durch das Werkstück einen Schwellenpegel erreicht (der für einen bestimmten Schneidvorgang vorgegeben sein kann), dann trennt ein Schalter die Düse von dem Strompfad, so dass sich nur das Werkstück und die Elektrode in dem Strompfad befinden. Wenn der Strompfad so umgeschaltet wird, dass er nur durch das Werkstück (und nicht die Düse) verläuft, dann wird das Pulsieren – wie in 3 gezeigt – zugunsten des Schneidstrompegels abgeschaltet. Der Übergang von dem pulsierenden Strompegel zu dem Schneidstrompegel kann relativ langsam sein. Zum Beispiel beginnt in beispielhaften Ausführungsformen die Änderungsrate mit etwa 1 A/ms und sinkt exponentiell von dort, bis der Schneidstrompegel erreicht ist.
Das oben beschriebene System ist allgemein in 4 gezeigt. Es ist anzumerken, dass 4 eine simplistische Darstellung eines Schneidsystems 400 ist, bei dem aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit viele Komponenten, wie zum Beispiel die Gasströmung usw., fehlen. Wie gezeigt, umfasst das System eine Stromversorgung 10, wie oben kurz beschrieben, die den Schneidstrom zuführt und in ihrem Inneren Steuerungselektronik aufweist, die ihren Betrieb steuert. Wie oben beschrieben, besteht während des Lichtbogenstarts ein Strompfad von der Stromversorgung zu der Elektrode E, der Düse N und dem Werkstück W, wobei die Düse N und das Werkstück W zusammen sind. Die Stromversorgung 10 hat eine Verknüpfungsschaltung 403, die mindestens einen Schalter 405 hat, der mit dem Anschlusskabel gekoppelt ist, der die Stromversorgung 10 mit der Düse N verbindet. Wie oben erläutert, wenn der in dem Werkstück-Anschlusskabel detektierte Strom einen Schwellenpegel erreicht, so veranlasst die Verknüpfungsschaltung 403 den Schalter 405, sich zu öffnen, um die Düse N aus dem Strompfad herauszunehmen. Nachdem sich der Schalter 405 geöffnet hat, verläuft der Strompfad durch die Elektrode E, das Werkstück W und die Stromversorgung 10 und nicht durch die Düse N. Dies gewährleistet den Transfer des Lichtbogens von der Düse N zu dem Werkstück W.
5 zeigt einen anderen Aspekt von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesen Ausführungsformen kann der Lichtbogen viel schneller zu dem Werkstück bewegt werden, zum Beispiel nach dem ersten Impuls des oben beschriebenen Startprozesses. 5 zeigt beispielhaft Wellenformen eines Stroms 510, einer Spannung 500 und eines Arbeitsstroms 520 einer beispielhaften Ausführungsform. Wie gezeigt, stehen die Düse und die Elektrode in Region A in Kontakt miteinander, und der zugeführte Strom befindet sich auf dem ersten Pegel 511, der dem oben beschriebenen ersten Strompegel ähnelt. An Punkt B hebt sich die Elektrode von der Düse fort. In diesem Moment sinkt der Strom auf einen zweiten Strompegel 513 (wie oben beschrieben), und die Spannung steigt bei 501 auf Punkt C, wie gezeigt. An Punkt C sinkt die Spannung, weil der Pilotlichtbogen vom Körper oder der Fläche der Elektrode (die Kupfer und/oder Silber sein kann) zu dem Hafnium-Einsatz der Elektrode übergeht. (Andere Materialien außer Hafnium können ebenfalls in der Elektrode verwendet werden). Die Spannung fällt von der Spitze 503 auf einen Spannungspegel 505 während des ersten Stromimpulses 515, der ausgelöst wird, wenn der Spannungsabfall detektiert wird. Es ist anzumerken, dass, wenn der Lichtbogen den Hafnium-Einsatz erreicht, er auch aus der Düsenöffnung gedrückt wird (siehe 2D). Weil der Strompfad aus der Öffnung heraus und zurück verläuft, steigt der Spannungspegel. Wenn dieser Spannungspegel steigt (was über eine Schaltung vom dv/dt-Typ detektiert werden kann), so können der oder die Impulse beginnen. In anderen Ausführungsformen wird eine vorgegebene Zeitbegrenzung verwendet, um zu bestimmen, wann der Lichtbogen zu der Öffnung transferiert wird. Zum Beispiel liegt in einigen beispielhaften Ausführungsformen die vorgegebene Zeitbegrenzung zwischen Lichtbogendetektion und -transfer im Bereich von 5 bis 40 ms. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Zeitbegrenzung oder -verzögerung im Bereich von 10 bis 25 ms. Wie gezeigt, beginnt der Arbeitsstrom (521) während der Pilotlichtbogenphase des Prozesses, wenn mindestens etwas Strom durch das Werkstück zu fließen beginnt. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Wellenform hat der Stromimpuls 515 in der gezeigten Ausführungsform eine längere Spitzenstromdauer bis Punkt D, wo der vollständige Lichtbogentransfer stattfindet und der Strom bis auf den Schneidstrompegel 517 angehoben wird, der einen Spannungspegel 507 hat. Der Schneidspannungspegel 507 ist größer als der Spannungspegel 503, und der Schneidstrompegel 517 ist größer als der Impuls-Spitzenstrompegel 515. Wenn bestimmt wird, dass der Lichtbogen hinreichend zu dem zu schneidenden Werkstück geleitet wurde (an Punkt D), so ist der Strompfad zu der Düse offen, so dass die Düse aus dem Strompfad herausgenommen wird. Das zeigt sich am Anstieg der Arbeitsstromwellenform 520 auf den Arbeitsstrompegel 520. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Arbeitsstromschwellenpegel 525 verwendet, um zu bestimmen, wann der Lichtbogen hinreichend zu dem Werkstück transferiert wurde. Der Schwellenwert 525 kann eine vorgegebene Schwelle für die Stromversorgung sein. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Schwellenwert 525 durch die Stromversorgung auf der Basis von Schneidparametern oder -eingaben bestimmt werden. Zum Beispiel basiert in einigen Ausführungsformen der Schwellenwert 525 auf dem gewünschten Strompegel 517 für den Schneidvorgang. Das heißt, je höher der Schneidstrompegel 517, desto höher der Schwellenwert 525. In beispielhaften Ausführungsformen kann der Arbeitsstrompegel mindestens 5 Ampere betragen. Wenn also der Arbeitsstrom 5 Ampere erreicht oder übersteigt, so findet ein Umschalten statt. Natürlich können in anderen Ausführungsformen andere Aspekte des Schneidvorgangs verwendet werden, um das Bestimmen des Schwellenwertes 525 zu unterstützen. Wie zuvor erläutert, entfernt die Verknüpfungsschaltung die Düse aus dem Strompfad, wenn die Schwelle erreicht ist.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist ein einzelner Stromimpuls 515 gezeigt, der eine längere Spitzendauer hat. Jedoch können in anderen Ausführungsformen mehrere Stromimpulse (wie die in 3 gezeigten) verwendet werden, bevor bestimmt wird, dass der Lichtbogen hinreichend transferiert wurde. In beispielhaften Ausführungsformen hat der einzelne Impuls einen Spitzenstrompegel im Bereich von 25 bis 40 Ampere, und kann in anderen Ausführungsformen im Bereich von 30 bis 35 Ampere liegen. Des Weiteren kann in beispielhaften Ausführungsformen die Dauer des Spitzenstrompegels des Impulses 515 zuvor festgelegt werden oder kann wie oben beschrieben gesteuert werden. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Impuls 515 eine Spitzendauer im Bereich von 3,5 bis 6 Sekunden haben. In anderen Ausführungsformen kann die Dauer im Bereich von 4,5 bis 5,5 Sekunden liegen und kann zum Beispiel 5 Sekunden betragen. Natürlich können, falls kein Arbeitsstrom detektiert wird (wie oben beschrieben), weitere Impulse auf den Impuls 515 des Typs folgen, der mit Bezug auf 3 beschrieben wurde, oder die folgenden Impulse können dem oben beschriebenen Impuls 515 ähneln, bis ein Arbeitsstrom detektiert wird.
Wie zuvor beschrieben, erlauben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen sowohl hinsichtlich der Stabilität als auch der Dauer verbesserten Lichtbogentransfer zu dem Werkstück, während eine Beschädigung der Elektrode und der Düse minimiert und somit die Grenznutzungsdauer dieser Komponenten verlängert wird. Dies erhöht deutlich die Betriebseffizienz von Schneidsystemen und Schneidarbeiten.
Des Weiteren enthält der oben erörterte Gegenstand verschiedene Besprechungen der Spannungs- und/oder Stromdetektion und -steuerung. Wie zuvor beschrieben, kann dieser Aspekt der Detektion und Steuerung über die Steuerungselektronik und -schaltungen innerhalb der Stromversorgung gesteuert werden. Verknüpfungsschaltungen, Strom- und Spannungsrückmeldungs- und -detektionsschaltungen, Steuerungselektronik und Stromversorgungselektronik, die zum Steuern von Strom und Spannung, wie im vorliegenden Text beschrieben, geeignet sind, sind dem Fachmann bekannt und brauchen im vorliegenden Text nicht im Detail beschrieben zu werden. Natürlich kann jede bekannte Steuerungselektronik, Verknüpfungsschaltung usw., die in der Lage ist, Strom und Spannung wie im vorliegenden Text beschrieben zu steuern, verwendet werden, ohne vom Wesen oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Obgleich der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, leuchtet dem Fachmann ein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und dass Äquivalente substituiert werden können, ohne vom Schutzumfang des Gegenstandes abzuweichen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren des Gegenstands anzupassen, ohne seinen Schutzumfang zu verlassen. Daher ist es beabsichtigt, dass der Gegenstand nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass der Gegenstand alle Ausführungsformen beinhaltet, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

10: Stromversorgung
12: Gehäuse
14: Brennerbaugruppe
16: Vorderseite
18: Brenner-Ende
20: Nutzereingabevorrichtung
22: Verbinder
23: Verbinder
24: Schlauchabschnitt
200: Brenner
200a: Brennerkopf
201: Elektrode
203: Düse
205: Halter
207: Einsatz
300: Spannungsquelle
305: Spannungsimpuls
307: Spannungsimpuls
350: Stromwellenform
351: Pegel
353: Pegel
355: Stromimpuls
357: Hintergrundstrompegel
400: Schneidsystem
403: Verknüpfungsschaltung
405: Schalter
500: Spannung
501: Punkt
503: Spitze
505: Spannungspegel
507: Spannungspegel
510: Strom
511: Pegel
513: Strompegel
515: Stromimpuls
517: Schneidstrompegel
520: Arbeitsstrom
525: Arbeitsstromschwellenpegel
C: Spannungsschwelle
C': Spitzenspannung
E: Elektrode
N: Düse
t: Zeitraum
W: Werkstück

Claims

Verfahren zum Starten eines Plasmalichtbogenschneidvorgangs; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Plasmaschneidbrenners, der eine Elektrode und eine Düse hat, die in Kontakt miteinander stehen; Zuführen eines ersten Stroms zu der Elektrode, wobei der erste Strom einen ersten Pegel hat; Veranlassen, dass sich die Elektrode von der Düse trennt; Zuführen eines zweiten Stroms zu der Elektrode, nachdem sich die Elektrode von der Düse getrennt hat, wobei der zweite Strom einen zweiten Pegel hat, der geringer ist als der erste Pegel, und Beibehalten des zweiten Pegels für eine Dauer t; Bereitstellen mindestens eines Stromimpulses nach der Dauer t, wobei der mindestens eine Stromimpuls einen Spitzenstrompegel hat, der größer ist als der ersten Pegel; Detektieren des Vorhandenseins eines Arbeitsstroms; und Bereitstellen eines Plasmaschneidstrompegels zum Schneiden eines Werkstücks nach der Detektion des Vorhandenseins des Arbeitsstroms.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Plasmaschneidbrenner luftgekühlt ist, und/oder wobei die Trennung durch einen Luftstrom herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Strom ein fester Strom im Bereich von 20 bis 30 Ampere ist, und/oder wobei der erste Strom für eine Dauer von 100 bis 500 ms aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zweite Strom ein fester Strom im Bereich von 10 bis 20 Ampere ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dauer t im Bereich von 5 bis 40 ms liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Spitzenstrompegel im Bereich von 30 bis 55 Ampere liegt und für eine Dauer im Bereich von 3,5 bis 6 Sekunden aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das des Weiteren das Bereitstellen mindestens eines weiteren Stromimpulses nach dem mindestens einen Stromimpuls umfasst, falls der Arbeitsstrom nach dem mindestens einen Stromimpuls nicht detektiert wird.
Plasmaschneidsystem (400), das Folgendes umfasst: eine Plasmaschneidvorrichtung, die eine Steuereinheit aufweist, die eine Stromabgabe der Plasmaschneidvorrichtung während einer Plasmalichtbogen-Startroutine steuert, wobei die Plasmaschneidvorrichtung mit einer Plasmaschneidbrennerbaugruppe (14) über einen komplementären Verbinder an der Plasmaschneidvorrichtung gekoppelt werden kann; wobei während der Plasmalichtbogen-Startroutine die Plasmaschneidvorrichtung einen ersten festen Strompegel ausgibt; wobei, wenn die Steuereinheit eine Trennung einer Elektrode (201) innerhalb der Plasmaschneidbrennerbaugruppe (14) von einer Düse (203) innerhalb der Plasmaschneidbrennerbaugruppe (14) detektiert, die Plasmaschneidvorrichtung den ersten festen Strompegel auf einen zweiten festen Strompegel reduziert, der niedriger ist als der erste feste Strompegel; wobei die Plasmaschneidvorrichtung nach dem zweiten festen Strompegel mindestens einen Stromimpuls ausgibt, dessen Spitzenstrompegel höher ist als der erste feste Strompegel, und wobei der Spitzenstrompegel für eine Spitzendauer aufrecht erhalten wird; und wobei, falls die Steuereinheit einen Arbeitsstrom in einem zu schneidenden Werkstück (W) detektiert, die Plasmaschneidvorrichtung einen Plasmaschneidstrom ausgibt, und falls die Steuereinheit den Arbeitsstrom nicht detektiert, die Plasmaschneidvorrichtung einen zweiten Stromimpuls nach dem ersten Stromimpuls initiiert.
Plasmaschneidsystem (400) nach Anspruch 8, wobei der erste feste Strompegel im Bereich von 20 bis 30 Ampere liegt, und/oder wobei der erste feste Strompegel für eine Dauer (t) von 100 bis 500 ms aufrecht erhalten wird.
Plasmaschneidsystem (400) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der zweite feste Strompegel im Bereich von 10 bis 20 Ampere liegt, und/oder wobei der zweite feste Strompegel für eine Dauer (t) von 5 bis 40 ms aufrecht erhalten wird.
Plasmaschneidsystem (400) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der zweite feste Strompegel für eine Dauer (t) von 10 bis 25 ms aufrecht erhalten wird.
Plasmaschneidsystem (400) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Impuls-Spitzenstrom im Bereich von 30 bis 55 Ampere liegt, und/oder wobei der Impuls-Spitzenstrom für eine Dauer im Bereich von 3,5 bis 6 Sekunden aufrecht erhalten wird.
Plasmaschneidsystem (400), das Folgendes umfasst: eine Plasmaschneidvorrichtung, die eine Steuereinheit aufweist, die eine Stromabgabe der Plasmaschneidvorrichtung während einer Plasmalichtbogen-Startroutine steuert, wobei die Plasmaschneidvorrichtung mit einer Plasmaschneidbrennerbaugruppe (14) über einen komplementären Verbinder (22, 23) an der Plasmaschneidvorrichtung gekoppelt werden kann; wobei während der Plasmalichtbogen-Startroutine die Plasmaschneidvorrichtung einen ersten festen Strompegel im Bereich von 23 bis 28 Ampere ausgibt; wobei, wenn die Steuereinheit eine Trennung einer Elektrode (201) innerhalb der Plasmaschneidbrennerbaugruppe (14) von einer Düse (203) innerhalb der Plasmaschneidbrennerbaugruppe (14) detektiert, die Plasmaschneidvorrichtung den ersten festen Strompegel auf einen zweiten festen Strompegel reduziert, der im Bereich von 13 bis 17 Ampere liegt, und der für eine Dauer (t) im Bereich von 10 bis 25 ms aufrecht erhalten wird; wobei die Plasmaschneidvorrichtung nach dem zweiten festen Strompegel mindestens einen Stromimpuls ausgibt, der einen Spitzenstrompegel im Bereich von 30 bis 55 Ampere hat, und wobei der Spitzenstrompegel für eine Spitzendauer im Bereich von 3,5 bis 6 Sekunden aufrecht erhalten wird; und wobei, falls die Steuereinheit einen Arbeitsstrom in einem zu schneidenden Werkstück (W) detektiert, die Plasmaschneidvorrichtung einen Plasmaschneidstrom ausgibt, und falls die Steuereinheit den Arbeitsstrom nicht detektiert, die Plasmaschneidvorrichtung einen zweiten Stromimpuls nach dem ersten Stromimpuls initiiert.
Plasmaschneidsystem (400), das Folgendes umfasst: eine Plasmaschneidvorrichtung, die eine Steuereinheit aufweist, die eine Stromabgabe der Plasmaschneidvorrichtung während einer Plasmalichtbogen-Startroutine steuert, wobei die Plasmaschneidvorrichtung mit einer Plasmaschneidbrennerbaugruppe (14) über einen komplementären Verbinder (22, 23) an der Plasmaschneidvorrichtung gekoppelt werden kann; wobei während der Plasmalichtbogen-Startroutine die Plasmaschneidvorrichtung einen ersten festen Strompegel im Bereich von 20 bis 30 Ampere ausgibt; wobei, wenn die Steuereinheit eine Trennung einer Elektrode (201) innerhalb der Plasmaschneidbrennerbaugruppe (14) von einer Düse (203) innerhalb der Plasmaschneidbrennerbaugruppe detektiert, die Plasmaschneidvorrichtung den ersten festen Strompegel auf einen zweiten festen Strompegel reduziert, der im Bereich von 10 bis 20 Ampere liegt, und der für eine Dauer (t) im Bereich von 5 bis 40 ms aufrecht erhalten wird; wobei die Plasmaschneidvorrichtung nach dem zweiten festen Strompegel mehrere Stromimpulse ausgibt, die einen Spitzenstrompegel im Bereich von 30 bis 55 Ampere und eine Frequenz im Bereich von 0,25 bis 30 Hz aufweisen; und wobei die Steuereinheit die Impulse stoppt, wenn ein Arbeitsstrom in einem zu schneidenden Werkstück (W) detektiert wird.