DE102020125073A1

DE102020125073A1 - Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, Anordnung mit derselben, Plasmaschneidbrenner mit derselben sowie Verfahren zum Plasmaschneiden

Info

Publication number: DE102020125073A1
Application number: DE102020125073.8A
Authority: DE
Inventors: Vadim Günther; Frank Laurisch; Volker Krink
Original assignee: Kjellberg Stiftung
Current assignee: Kjellberg Stiftung
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-02-10
Also published as: WO2022028648A1; CN116195370A; EP4193811A1

Abstract

Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, umfassend einen Elektrodenhalter und einem Emissionseinsatz, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionseinsatz aus einer Legierung zumindest aus Wolfram und mindestens einem der nachfolgend aufgeführten Elemente oder Verbindungen besteht: Zirconium und/oder Hafnium und/oder Zirconiumoxid und/oder Hafniumoxid; Anordnung mit derselben, Plasmaschneidbrenner mit derselben sowie Verfahren zum Plasmaschneiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektroden für einen, insbesondere flüssigkeitsgekühlten, Plasmaschneidbrenner sowie, insbesondere flüssigkeitsgekühlten, Anordnungen mit derselben, Plasmaschneidbrenner mit denselben und Verfahren zum Plasmaschneiden.
Plasmaschneidbrenner werden zum Plasmaschneiden von Metallen eingesetzt. Sie bestehen üblicherweise im Wesentlichen aus einem Brennerkörper, einer Elektrode, einer Düse und einer Halterung dafür. Moderne Plasmabrenner und Plasmaschneidbrenner verfügen zusätzlich über eine über der Düse angebrachte Düsenschutzkappe. Oft wird eine Düse mittels einer Düsenkappe fixiert.
Die durch den Betrieb des Plasmaschneidbrenners infolge der durch den Lichtbogen verursachten hohen thermischen Belastung verschleißenden Bauteile sind je nach Plasmaschneidbrennertyp insbesondere die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe, die Düsenschutzkappe, die Düsenschutzkappenhalterung und die Plasmagasführungs- und Sekundärgasführungsteile. Diese Bauteile können durch einen Bediener leicht gewechselt und somit als Verschleißteile bezeichnet werden.
Die Plasmaschneidbrenner sind über Leitungen an eine Stromquelle und eine Gasversorgung angeschlossen, die den Plasmaschneidbrenner versorgen. Weiterhin kann der Plasmaschneidbrenner an einer Kühleinrichtung für ein Kühlmedium, wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit, angeschlossen sein.
Bei Plasmaschneidbrennern treten hohe thermische Belastungen auf. Das hat seine Ursache in der starken Einschnürung des Plasmastrahls durch die Düsenbohrung. Hier werden kleine Bohrungen verwendet, damit hohe Stromdichten von 50 bis 150 A/mm² in der Düsenbohrung, hohe Energiedichten von ca. 2×10⁶ W/cm² und hohe Temperaturen von bis zu 30.000 K erzeugt werden. Weiterhin werden im Plasmaschneidbrenner höhere Gasdrücke, in der Regel bis zu 12 bar, verwendet. Die Kombination aus hoher Temperatur und großer kinetischer Energie des durch die Düsenbohrung strömenden Plasmagases führen zum Aufschmelzen des Werkstücks und zum Austreiben der Schmelze. Es entsteht eine Schnittfuge und das Werkstück wird getrennt.
Beim Plasmaschneiden werden oft Stickstoff oder stickstoffhaltige Gasgemische als Plasmagas eingesetzt, um hochlegierten Stahl, nichtrostenden Stahl, Nichteisenmetalle oder Nichteisenmetalllegierungen, wie z. B. Aluminium oder eine Aluminium-Magnesium-Legierung zu schneiden. Es ist aber auch möglich, mit Stickstoff oder stickstoffhaltigen Gasgemischen niedrig- und unlegierte, also sogenannte Baustähle, zu schneiden.
Zwischen der Elektrode und der Düse strömt ein Plasmagas. Das Plasmagas wird durch ein Gasführungsteil (Plasmagasführungsteil) geführt. Dadurch kann das Plasmagas gezielt gerichtet werden. Oftmals ist es durch einen radialen und/oder axialen Versatz der Öffnungen in dem Plasmagasführungsteil in Rotation um die Elektrode versetzt. Das Plasmagasführungsteil besteht aus elektrisch isolierendem Material, da die Elektrode und die Düse voneinander elektrisch isoliert sein müssen. Dies ist notwendig, da die Elektrode und die Düse unterschiedliche elektrische Potentiale während des Betriebs des Plasmaschneidbrenners haben. Zum Betreiben des Plasmaschneidbrenners wird ein Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse und/oder dem Werkstück erzeugt, der das Plasmagas ionisiert. Zum Zünden des Lichtbogens kann eine Hochspannung zwischen der Elektrode und Düse angelegt werden, die für eine Vorionisation der Strecke zwischen der Elektrode und der Düse und somit für die Ausbildung eines Lichtbogens sorgt. Der zwischen Elektrode und Düse brennende Lichtbogen wird auch als Pilotlichtbogen bezeichnet.
Der Pilotlichtbogen tritt durch die Düsenbohrung aus und trifft auf das Werkstück und ionisiert die Strecke zum Werkstück. Dadurch kann sich der Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück ausbilden. Dieser Lichtbogen wird auch als Hauptlichtbogen bezeichnet. Während des Hauptlichtbogens kann der Pilotlichtbogen abgeschaltet werden. Er kann aber auch weiterbetrieben werden. Beim Plasmaschneiden wird dieser oft abgeschaltet, um die Düse nicht noch zusätzlich zu belasten.
Insbesondere die Elektrode und die Düse werden thermisch hoch beansprucht und müssen gekühlt werden. Zugleich müssen sie auch den elektrischen Strom, der zur Ausbildung des Lichtbogens benötigt wird, leiten. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.
Die Elektrode besteht oft aus einem Elektrodenhalter und einem Emissionseinsatz, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, der eine hohe Schmelztemperatur (> 3000°C) aufweist. Als Werkstoffe für den Emissionseinsatz wird beim Einsatz nicht oxidierender Plasmagase, wie bspw. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium und Gemische derselben, Wolfram eingesetzt. Der Hochtemperaturwerkstoff kann in einen Elektrodenhalter, der aus gut Wärme und elektrisch gut leitendem Werkstoff besteht, zum Beispiel mit Form- und/oder Kraftschluss eingepresst werden.
Die Kühlung der Elektrode und Düse kann durch Gas, zum Beispiel das Plasmagas oder ein Sekundärgas, das an der Außenseite der Düse entlangströmt, erfolgen. Effektiver ist jedoch die Kühlung mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser. Dabei werden die Elektrode und/oder die Düse oft direkt mit der Flüssigkeit gekühlt, d. h. die Flüssigkeit befindet sich in direktem Kontakt mit der Elektrode und/oder der Düse. Um die Kühlflüssigkeit um die Düse zu führen, befindet sich um die Düse eine Düsenkappe, deren Innenfläche mit der Außenfläche der Düse einen Kühlmittelraum bildet, in dem das Kühlmittel strömt.
Bei modernen Plasmaschneidbrennern befindet sich zusätzlich außerhalb der Düse und/oder der Düsenkappe eine Düsenschutzkappe. Die Innenfläche der Düsenschutzkappe und die Außenfläche der Düse oder der Düsenkappe bilden einen Raum, durch den ein Sekundär- oder Schutzgas strömt. Das Sekundär- oder Schutzgas tritt aus der Bohrung der Düsenschutzkappe aus und umhüllt den Plasmastrahl und sorgt für eine definierte Atmosphäre um denselben. Zusätzlich schützt das Sekundärgas die Düse und die Düsenschutzkappe vor Lichtbögen, die sich zwischen diesem und dem Werkstück ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse führen. Insbesondere beim Einstechen in das Werkstück werden die Düse und die Düsenschutzkappe durch heißes Hochspritzen von Material stark belastet. Das Sekundärgas, dessen Volumenstrom beim Einstechen gegenüber dem Wert beim Schneiden erhöht sein kann, hält das hochspritzende Material von der Düse und der Düsenschutzkappe fern und schützt so vor Beschädigung.
Die Düsenschutzkappe wird ebenfalls thermisch hoch beansprucht und muss gekühlt werden. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.
Die Elektrode und die Düse können auch indirekt gekühlt werden. Dabei stehen sie mit einem Bauteil, das aus einem gut Wärme und elektrisch gut leitendem Werkstoff, in der Regel ein Metall, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, besteht, durch Berührung in Kontakt. Dieses Bauteil wird wiederum direkt gekühlt, d.h., dass es sich mit dem meist strömenden Kühlmittel direkt in Kontakt befindet. Diese Bauteile können gleichzeitig als Halterung oder Aufnahme für die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe oder die Düsenschutzkappe dienen und die Wärme ab- und den Strom zuführen.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass nur die Elektrode oder nur die Düse mit Flüssigkeit gekühlt wird.
Die Düsenschutzkappe wird meist nur durch das Sekundärgas gekühlt. Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Sekundärgaskappe direkt oder indirekt durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt wird.
Bei Plasmabrennern und insbesondere bei Plasmaschneidbrennern tritt aufgrund der der hohen Energiedichte und der hohen Temperaturen eine hohe Belastung der Verschleißteile auf. Dies betrifft insbesondere auch die Elektrode.
Die bisher bekannten Lösungen für die Elektrode, den Emissionseinsatz aus hochschmelzendem Material, wie z. B. Wolfram, in ein gut Wärme leitendes Material, wie z. B. Kupfer oder Silber, einzusetzen, erreichen oftmals nicht ausreichende Ergebnisse hinsichtlich der Lebensdauer und/oder der Schnittqualität.
Besonders beim Einsatz von Stickstoff oder stickstoffhaltigen Gasgemischen als Plasmagas ist die Lebensdauer oft zu kurz. Zudem gibt es oftmals große Schwankungen bei der Lebensdauer.
Eine hohe Schnittqualität und Schneidgeschwindigkeit wird beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen durch den Einsatz von sogenannten Spitzenelektroden erreicht. Hierbei ragt der Emissionseinsatz aus dem Elektrodenhalter heraus und ist vorn angespitzt ausgeführt. Beim Schneiden mit Argon-Wasserstoff-Gemisch wird dabei auch eine gute Lebensdauer und eine gute Schnittqualität bei Werkstückdicken ab 6 mm erzielt.
Bei geringeren Werkstückdicken treten größere Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranzen nach DIN ISO 9013 auf. Weiterhin kommt es zu verstärkter Bartbildung an der Werkstückunterkante.
Durch den Einsatz von Stickstoff, Argon-Stickstoff-, Stickstoff-Wasserstoff- oder Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch kann die Schnittqualität verbessert werden.
Allerdings sinkt die Lebensdauer der Elektrode selbst bei für das Plasmaschneiden relativ kleinen Strömen unter 100 A erheblich.
Der Emissionseinsatz verschleißt während des Betriebes, also bei brennendem Lichtbogen oder Plasmastrahl. Nach und nach brennt er zurück und der aus dem Elektrodenhalter herausragende Teil verkürzt sich. Mit zunehmendem Rückbrand verschlechtert sich die Schnittqualität erheblich. Besonders beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen führt dies wiederum zu einer größeren Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz der Schnittfläche nach DIN ISO 9013, zur Bildung von Bartanhang an der Unterseite des zu schneidenden Materials und zu größerer Rauigkeit der Schnittfläche.
Ist er weiter als 1 mm zurückgebrannt, ist die Schnittqualität meist nicht mehr akzeptabel. Brennt er noch weiter zurück, bspw. über 2 mm, kommt es zum Übersetzen des Lichtbogens vom Emissionseinsatz auf den Elektrodenhalter und zum plötzlichen Versagen der gesamten Elektrode. Es kommt dabei auch zur Zerstörung der Düse. Es kann sogar der gesamte Brenner zerstört werden.
Es ist bekannt, Wolframelektroden mit Oxiden seltener Erden zu dotieren, um deren Lebensdauer zu erhöhen und die Zündwilligkeit des Lichtbogens zu verbessern. Dies sind beispielsweise Lanthan-, Thorium- oder Cer-Oxid. Dies ist für Anwendungen unter Verwendung von Argon als Gas bekannt. Werden solche Elektroden mit Stickstoff verwendet, sinkt die Lebensdauer rapide.
Es ist auch bekannt, sogenannte Flachelektroden, bei denen der Emissionseinsatz nicht aus dem Elektrodenhalter herausragt, zu verwenden. Hier wird eine Verbesserung der Lebensdauer erreicht. Allerdings verringern sich die Schneidgeschwindigkeit und die Schnittqualität beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen erheblich. Die längere Lebensdauer wird durch die bessere Kühlung des Emissionseinsatzes erreicht, da dieser bis zum Lichtbogenansatzpunkt, also seinem vorderen Ende, in den Elektrodenhalter eingesetzt ist. Die schlechtere Schnittqualität hat ihre Ursache vermutlich in den anderen oder auch schlechteren Strömungsverhältnissen für das Plasmagas, die eine sogenannte Flachelektrode in Kombination mit einer Düse ergibt.
Ziel der Erfindung ist es, eine hohe Schneidgeschwindigkeit, eine hohe Schnittqualität und eine lange Lebensdauer zumindest der Elektrode beim Plasmaschneiden zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, umfassend einen Elektrodenhalter und einen Emissionseinsatz, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionseinsatz aus einer Legierung zumindest aus Wolfram und mindestens einem der nachfolgend aufgeführten Elemente oder Verbindungen besteht: Zirconium und/oder Hafnium und/oder Zirconiumoxid und/oder Hafniumoxid.
Darüber hinaus wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch eine Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, wobei die Elektrode ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist, sich entlang einer Längsachse erstreckt und zumindest einen Emissionseinsatz am vorderen Ende sowie einen Elektrodenhalter aufweist, insbesondere wobei zumindest ein Teil des Emissionseinsatzes in Richtung des vorderen Endes der Elektrode aus dem Elektrodenhalter hervorsteht oder herausragt, insbesondere wobei der aus dem Elektrodenhalter hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz einen sich in Richtung des vorderen Endes, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweist.
Weiterhin wird diese Aufgabe gemäß einem dritten Aspekt gelöst durch eine Anordnung aus einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 23 und einer Düse.
Ferner wird diese Aufgabe gemäß einem vierten Aspekt gelöst durch einen Plasmaschneidbrenner, umfassend eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 23, eine Düse und/oder eine Düsenschutzkappe und/oder ein Plasmagasführungsteil.
Darüber hinaus wird diese Aufgabe gemäß einem fünften Aspekt gelöst durch ein Verfahren zum Plasmaschneiden , unter Verwendung eines Plasmaschneidbrenners nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei der Plasmaschneidbrenner (1) mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff als Plasmagas betrieben wird.
Günstigerweise beträgt bei der Elektrode gemäß den ersten und zweiten Aspekten der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids minimal 0,1 %, besser minimal 0,3 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.
Günstigerweise beträgt der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids maximal 5 %, besser maximal 2 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil des Wolframs mindestens 95 %, besser minimal 98 %, am besten 99 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der zu 100 % des Volumens oder der Masse verbleibende Anteil der Legierung des Emissionseinsatzes zu mindestens 20 %, besser minimal 25 %, noch besser minimal 30 % aus Kupfer und/oder Silber gebildet wird.
In einer besonderen Ausführungsform weist die Elektrode ein vorderes Ende und ein hinteres Ende auf, erstreckt sich entlang einer Längsachse L und befindet sich der Emissionseinsatz am vorderen Ende.
Ferner kann ein Teil des Emissionseinsatzes in Richtung des vorderen Endes der Elektrode aus dem Elektrodenhalter hervorstehen oder herausragen.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der aus dem Elektrodenhalter hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz einen sich in Richtung des vorderen Endes, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweist.
Günstigerweise bildet eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel (β) von 15° bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L.
Der Elektrodenhalter kann zum vorderen Ende einen sich verjüngenden, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweisen.
Zweckmäßigerweise bildet eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel α von 15° bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L.
Günstigerweise weisen die Winkel α und β einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° auf und sind am besten gleich groß.
Günstigerweise weist der Emissionseinsatz am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche auf, die einen Durchmesser D₃ von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.
Vorteilhafterweise weist der Emissionseinsatz am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche auf, die einen Durchmesser D₃ von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist.
Die Fläche am vorderen Ende der Elektrode kann aber auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm², besser maximal 0,8 mm², am besten maximal 0,3 mm² groß und/oder minimal 0,05 mm², besser minimal 0,1 mm² groß.
In einer besonderen Ausführungsform hat der Emissionseinsatz einen größten Außendurchmesser D2 und der Elektrodenhalter einen kleinsten Außendurchmesser D1, wobei die Differenz zwischen D1 und D2 zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.
Bei der Elektrode gemäß dem zweiten Aspekt kann eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel β von 15° bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L bilden.
Der Elektrodenhalter kann zum vorderen Ende einen sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweisen.
Vorteilhafterweise bildet eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel α von 15° bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L.
Die Winkel α und β können einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° aufweisen, am besten gleich groß sein.
Der Emissionseinsatz kann am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche aufweisen, die einen Durchmesser D₃ von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.
Der Emissionseinsatz kann am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche aufweisen, die einen Durchmesser D₃ von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist.
Die Fläche am vorderen Ende der Elektrode kann aber auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm², besser maximal 0,8 mm², am besten maximal 0,3 mm² groß und/oder minimal 0,05 mm², besser minimal 0,1 mm² groß.
Der Emissionseinsatz kann einen größten Außendurchmesser D2 und der Elektrodenhalter einen kleinsten Außendurchmesser D1 haben, wobei die Differenz zwischen D1 und D2 zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.
Bei der Anordnung gemäß dem dritten Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Winkel zwischen der Außenfläche (7.1.3) des konischen Abschnitts (7.1.1) der Elektrode (7) und der Längsachse (L) sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse (4) und der Längsachse (L) einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° aufweisen, noch besser gleich groß sind.
Gemäß einer besonderen Ausführungsformgilt für einen Abstand L1 zwischen dem vorderen Ende (14) der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals (4.1) der Düse (4): L1≤ 1,5 mm, besser L1 ≤ 1mm und/oder L1 ≤ 1,5 *D4, besser L1 ≤ 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.
Bei dem Plasmaschneidbrenner gemäß dem vierten Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Winkel zwischen der Außenfläche des konischen Abschnitts der Elektrode und der Längsachse L sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse und der Längsachse L einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° aufweisen, noch besser gleich groß sind.
Bei dem Plasmaschneidbrenner kann vorgesehen sein, dass für einen Abstand L1 zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals gilt:L1≤ 1,5 mm, besser L1 ≤ 1mm und/oder L1 ≤ 1,5 *D4, besser L1 ≤ 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.
Bei dem Verfahren gemäß dem fünften Aspekt kann das Plasmagasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff bestehen.
Vorteilhafterweise wird der Plasmaschneidbrenner mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff oder Luft oder einem Gasgemisch mit Luft als Sekundärgas betrieben.
Günstigerweise besteht das Sekundärgasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff oder aus Luft und Argon oder aus Luft und Stickstoff.
Vorteilhafterweise bestehen mindestens 30 %, besser 50 % und am besten 75 % des Volumens des Plasmagases und/oder des Sekundärgases aus Stickstoff oder Luft.
Günstigerweise wird/werden zumindest die Elektrode und/oder die Düse und/oder die Düsenschutzkappe mit einem flüssigen Medium gekühlt.
Das zu schneidende Werkstück kann aus einem hochlegierten Stahl, einem rostfreien Stahl oder einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung bestehen.
Das Nichteisenmetall kann zumindest teilweise aus Aluminium, Kupfer, Titan, Zink oder Zinn bestehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die verwendeten Materialien und/oder die konstruktive Gestaltung der Elektrode eine lange Lebensdauer und eine hohe Schnittqualität auch über einen langen Zeitraum beim Einsatz eines stickstoffhaltigen Plasmagases oder -gemisches in einem Plasmabrenner insbesondere beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nicht rostendem Stahl oder einer Nichteisenmetall/-legierung erzielt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:

1 ein Schnittdarstellung durch einen Plasmaschneidbrennerkopf eines Plasmabrenners gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Schnittdarstellung durch einen Plasmaschneidbrennerkopf eines Plasmabrenners gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Einzeldarstellung der in den 1 und 2 enthaltenen Elektrode in Seitenansicht;
4 eine Detailansicht der 3;
5 eine Ansicht der in 3 gezeigten Elektrode von unten;
6 eine Teilschnittansicht einer Elektrode gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 eine Teilschnittansicht der in den 1, 2 und 3 bis 5 gezeigten Elektrode.

Die 1 und 2 zeigen Schnittdarstellungen durch Plasmaschneidbrennerköpfe gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen eine Elektrode gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Anordnung aus Elektrode und Düse gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt worden sind.
Die 3, 4 und 5 zeigen Einzelheiten der in den Plasmaschneidbrennerköpfen der 1 und 2 enthaltenen Elektrode.
Die 6 zeigt eine Schnittansicht von einer Elektrode gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung, und 7 zeigt eine Schnittansicht der in den 1, 2 und 3 bis 5 gezeigten Elektrode.
Der in 1 gezeigte Plasmaschneidbrennerkopf 1 weist eine Elektrode 7, eine Düse 4 und eine Plasmagaszuführung 3 für Plasmagas PG auf. Der Plasmaschneidbrennerkopf gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich entlang der Längsachse L und hat ein vorderes Ende 14 und ein hinteres Ende 15.
Die Elektrode 7 ist in eine Elektrodenaufnahme 6 mittels Gewinde eingeschraubt und wird von innen mit einem Kühlmedium, das über das Innere eines Kühlrohrs 11 als Kühlmittelvorlauf WV1 zugeführt und einen zwischen dem Äußeren des Kühlrohrs 11 und der Elektrodenaufnahme 6 als Kühlmittelrücklauf WR1 gebildeten Raum 13 zurückgeführt wird, gekühlt.
Die Düse 4 wird von einer Düsenkappe 2 gehalten. Zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 2 strömt ein Kühlmedium in einem Raum 10, das über den Kühlmittelvorlauf WV2 zu und den Kühlmittelrücklauf WR2 zurückgeführt wird.
Eine Düsenschutzkappe 9 umschließt die Düse 4 und die Düsenkappe 2. Dazwischen strömt Sekundärgas SG durch eine Sekundärgasführung 9.1, die gleichzeitig die Düsenschutzkappe 9 von der Düsenkappe 2 isoliert und auf Abstand hält. Dabei kann die Sekundärgasführung 9.1 z. B. so gestaltet sein, dass sie das Sekundärgas SG rotieren lässt. Die Düsenschutzkappe 9 wird durch eine Düsenschutzkappenhalterung 8 fixiert, die am Plasmabrennerkopf mittels Gewinde befestigt ist.
Die Düse 4 weist in ihrem Innenraum, vom vorderen Ende 14 her gesehen, einen Düsenkanal 4.1 und einen sich konisch erweiternden Raum 4.3 auf. Die Innenfläche des Raumes 4.2 der Düse 4 verläuft parallel zu einer konischen Außenfläche 7.1.3 eines Abschnittes 7.1.1 der Elektrode 7. So wird eine gute Plasmagasströmung in dem verbleibenden Raum zwischen Düse 4 und Elektrode 7 erreicht. Durch die spitze Bauform der Elektrode 7 kommt die vordere Kreisfläche des Emissionseinsatzes 7.2. sehr nahe an das Ende des Düsenkanals 4.1. So beträgt in der 1 beispielhaft der Abstand L1 zwischen Elektrode und hinterem Ende des Düsenkanals 4.1 0,8 mm und in der 2 beispielhaft L1 = 1,2 mm. Der Durchmesser D4 des Düsenkanals 4.1 beträgt in beiden Figuren beispielhaft 1,2 mm. Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm², besser maximal 0,8 mm², am besten maximal 0,3 mm² groß und/oder minimal 0,05 mm², besser minimal 0,1 mm² groß.
Mit „sehr nahe“ soll allgemein folgendes gemeint sein:

L1≤ 1,5 mm, besser L1 ≤ 1mm und/oder L1 ≤ 1,5 *D4, besser L1 ≤ 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.

Zwischen der Elektrode 7 und der Düse 4 ist ein Plasmagasführungsteil 3.1 angebracht, das die Elektrode 7 und die Düse 4 voneinander isoliert und durch Öffnungen das Plasmagas PG in den Düseninnenraum strömen lässt. Dabei kann das Plasmagas PG durch einen radialen Versatz der Öffnungen zur Längsachse L oder durch Neigung der Öffnungen zur Längsachse L in Rotation versetzt werden.
Die Elektrode 7 besteht aus einem Elektrodenhalter 7.1 und einem Emissionseinsatz 7.2. In einer Ausführungsform kann sie aber auch aus mehr Komponenten bestehen. Der Emissionseinsatz 7.2 ist im Elektrodenhalter 7.1 befestigt. Dies kann kraft-, form- oder stoffschlüssig erfolgt sein. So wird ein guter Wärmeübergang zwischen dem Emissionseinsatz 7.2 und dem Elektrodenhalter 7.1 erreicht. Der Elektrodenhalter 7.1 kann wassergekühlt sein, wobei er im Inneren einen Hohlraum aufweisen kann, durch den das Kühlmedium fließt. Der Elektrodenhalter 7.1 besteht aus gut wärme- und elektrisch leitendem Material, bspw. Kupfer oder Silber oder eine Legierung daraus. Für den Emissionseinsatz 7.2 kann eine Legierung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 5 spezifiziert ist, eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit >300W/(m*K), beispielsweise Silber 429W/(m*K), Kupfer 398W/(m*K). Alternativ oder zusätzlich beträgt die elektrische Leitfähigkeit vorteilhafterweise mehr als 10⁷ S/m (beispielsweise Silber 61*10⁶ S/m, Kupfer 58 *10⁶ S/m).
In diesem Beispiel ist eine Legierung aus Wolfram und Zirkoniumoxid eingesetzt. Der Anteil des Wolframs ist hier beispielhaft 99,3 % und der des Zirkoniumoxids 0,3 % der Masse der Legierung. Der zu 100 % der Masse fehlende Anteil besteht in diesem Beispiel aus mit einem Anteil an der Gesamtmasse 0,15 % Kupfer.
Der in der 2 gezeigte Plasmaschneidbrennerkopf 1 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Plasmaschneidbrennerkopf in der Innenkontur der Düse. Die Düse 4 weist in ihrem Innenraum, vom vorderen Ende 14 her gesehen, einen zylindrischen Düsenkanal 4.1, einen weiteren im Wesentlichen zylindrischen Raum 4.2 und einen sich konisch erweiternden Raum 4.3 auf. Mit im Wesentlichen zylindrisch ist gemeint, dass die zylindrische Innenfläche dieses Raumes 4.3 größer ist als die Innenfläche des hier gezeigten kleineren konisch ausgebildeten Abschnittes unmittelbar am Düsenkanal 4.1. Die Innenfläche des Raumes 4.3 der Düse 4 verläuft parallel zur Außenfläche 7.1.3 des Abschnittes 7.1.1 der Elektrode 7. So wird eine gute Plasmagasströmung in dem verbleibenden Raum zwischen Düse 4 und Elektrode 7 erreicht. Durch die spitze Bauform der Elektrode 7 ragt der Emissionseinsatz 7.2 in den Raum 4.2 hinein. Die vordere Kreisfläche 7.2.4 der Emissionseinsatzes 7.2. kommt sehr nahe an das Ende des Düsenkanals 4.1. Die Länge L1 beträgt hier beispielhaft 1,2 mm. Der Durchmesser D4 des Düsenkanals 4.1 beträgt beispielhaft 1,2 mm.
Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm², besser maximal 0,8 mm², am besten maximal 0,3 mm² groß und/oder minimal 0,05 mm², besser minimal 0,1 mm² groß.
Die 3, 4 und 5 zeigen detaillierter den Aufbau der Elektrode von 1 und 2. Die 3, 4 und 5 zeigen die Elektrode 7, die sich entlang einer Längsachse L erstreckt und ein vorderes Ende 7.4 und ein hinteres Ende 7.3 aufweist.
Die Elektrode besteht aus dem Elektrodenhalter 7.1 und dem Emissionseinsatz 7.2, der hier beispielhaft mit seinem hinteren Abschnitt 7.2.1 in den Elektrodenhalter 7.1 eingepresst und damit kraftschlüssig verbunden ist.
Der Elektrodenhalter 7.1 weist einen hinteren Abschnitt 7.1.2 auf, der hier beispielhaft mit einem Gewinde ausgeführt ist und in die Elektrodenaufnahme 6 des Plasmaschneidbrennerkopfes eingeschraubt werden kann. Der Elektrodenhalter 7.2 weist zum vorderen Ende 7.4 der Elektrode 7 einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 7.1.1. mit einer Außenfläche 7.1.3 auf. Am vorderen Ende befindet sich eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser D1. Ein von der Außenfläche 7.1.3 des konischen Abschnitts 7.1.1 des Elektrodenhalters 7.1 und der Längsachse L eingeschlossener Winkel α beträgt hier beispielhaft 23°.
Der Emissionseinsatz 7.2 hat einen in den Elektrodenhalter 7.1 hineinragenden hinteren Abschnitt 7.2.1 und einen aus dem Elektrodenhalter 7.1 herausragenden Abschnitt, der einen zylindrischen Abschnitt 7.2.2 mit dem Durchmesser D2 und einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 7.2.3 mit einer Außenfläche 7.2.5 aufweist.
Der Durchmesser D1 beträgt beispielhaft 2,0 mm. Der Durchmesser D1 beträgt beispielhaft 2,5 mm. Die Differenz zwischen D1 und D2 beträgt 0,25 mm.
Durch die geringe Differenz wird erreicht, dass das im Raum zwischen der Düse 4 und der Elektrode 7 (wie in den 1 und 2 dargestellt) strömende Plasmagas PG möglichst wenig gestört wird und möglichst gleichmäßig und homogen strömt. Dies sichert eine gute Schnittqualität.
Weiterhin weist der Emissionseinsatz 7.2 zum vorderen Ende 14 hin eine Kreisfläche 7.2.4 auf, die einen Durchmesser D3 von beispielsweise 0,4 mm hat (s. 4). Ein von der Außenfläche 7.2.5 des konischen Abschnitts 7.2.3 des Emissionseinsatzes 7.2 und der Längsachse L eingeschlossener Winkel β beträgt hier beispielhaft 23°. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Winkel α und β der sich konisch verjüngenden Abschnitte des Elektrodenhalters 7.1 und des Emissionseinsatzes 7.2 gleich groß. Durch die gleiche Größe der Winkel α und β wird erreicht, dass das im Raum zwischen der Düse 4 und der Elektrode 7 (wie in den 1 und 2 dargestellt) strömende Plasmagas PG möglichst gleichmäßig und homogen strömt. Dies sichert eine gute Schnittqualität.
Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm², besser maximal 0,8 mm², am besten maximal 0,3 mm² groß und/oder minimal 0,05 mm², besser minimal 0,1 mm² groß.
Der Durchmesser D3 beträgt hier beispielhaft 0,4 mm. Hierdurch wird erreicht, dass die Lebensdauer der Elektrode auch beim Plasmaschneiden mit einem stickstoffhaltigen Plasmagas ausreichend hoch ist und gleichzeitig durch die relativ kleine Kreisfläche 7.2.4 ausreichend zentriert bleibt. So werden eine hohe Lebensdauer und gleichzeitig eine gute Schnittqualität realisiert. Da der Durchmesser D3 in diesem Beispiel 0,4 mm beträgt, beträgt die Kreisfläche 7.2.4 damit 0,125 mm².
Die 6 zeigt eine Elektrode 7, die sich von der in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsformen darin unterscheidet, dass der Innenraum beispielhaft massiv ausgebildet ist.
Die 7 zeigt noch einmal die Elektrode aus 1. Die Elektrode hat im Inneren einen Hohlraum 7.12, der sich vom hinteren Ende 7.3 her in Richtung des vorderen Endes erstreckt. Hier ist die Kühlung wesentlich effektiver als bei einer Elektrode nach 6, weil das Kühlmittel durch, wie in 1 und 2 beschrieben, ein Kühlrohr in die Nähe des Emissionseinsatzes geführt wird. Damit erhöht sich ebenfalls die Lebensdauer der Elektrode, insbesondere die des Emissionseinsatzes.
Die beschriebenen Elektroden 7 und der beschriebene Plasmaschneidbrenner 1 werden erfindungsgemäß zum Plasmaschneiden mit einem stickstoffhaltigen Plasmagas. eingesetzt. Dies ist besonders vorheilhaft für das Plasmaschneiden von Werkstücken, die aus einem hochlegierten Stahl, einem rostfreien Stahl oder einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung bestehen. Es ist aber auch möglich, Baustahl zu schneiden.
Dabei werden durch den Einsatz einer Elektrode 7 mit einem Elektrodenhalter 7.1 und einem Emissionseinsatz 7.2 eine hohe Lebensdauer und eine gute Schnittqualität erreicht.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Plasmaschneidbrennerkopf
2: Düsenkappe
3: Plasmagaszuführung
3.1: Plasmagasführungsteil
4: Düse
4.1: Düsenkanal
4.2: Raum
4.3: Raum
5: Düsenhalterung
6: Elektrodenaufnahme
7: Elektrode
7.1: Elektrodenhalter
7.1.1: sich verjüngender Abschnitt des Elektrodenhalters
7.1.2: hinterer Abschnitt des Elektrodenhalters
7.1.3: Außenfläche des sich verjüngenden Abschnitts des Elektrodenhalters
7.2: Emissionseinsatz
7.2.1: im Elektrodenhalter befindlicher hinterer Abschnitt des Emissionseinsatzes 7.2
7.2.2: aus dem Elektrodenhalter herausragender Teil des Emissionseinsatzes 7.2
7.2.3: sich verjüngender Abschnitt des Emissionseinsatzes
7.2.4: Kreisfläche des Emissionseinsatzes
7.2.5: Außenfläche des sich verjüngenden Abschnitts des Emissionseinsatzes
7.3: hinteres Ende der Elektrode
7.4: vorderes Ende der Elektrode
7.12: Hohlraum
8: Düsenschutzkappenhalterung
9: Düsenschutzkappe
9.1: Sekundärgasführungsteil
10: Raum
11: Kühlrohr
12: Werkstück
13: Raum
14: vorderes Ende
15: hinteres Ende
D1: kleinster Durchmesser des vorderen Endes des Elektrodenhalters 7.1
D2: Durchmesser des aus dem Elektrodenhalter herausragenden Teils des Emissionseinsatzes 7.2
D3: kleinster Durchmesser des vorderen Endes des Emissionseinsatzes 7.2
D4: kleinster Durchmesser des Düsenkanals
L: Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 und der Elektrode 7
L1: Abstand Elektrode - hinteres Ende Düsenkanal
PG: Plasmagas
SG: Sekundärgas
WV1, WV2: Kühlmittelvorläufe
WR1, WR2: Kühlmittelrückläufe
α: Winkel zwischen Außenfläche 7.1.3 des Elektrodenhalters und der Längsachse L
β: Winkel zwischen Außenfläche 7.2.5 des Emissionseinsatzes und der Längsachse L

Claims

Elektrode (7) für einen Plasmaschneidbrenner, umfassend einen Elektrodenhalter (7.1) und einem Emissionseinsatz (7.2), die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionseinsatz (7.2) aus einer Legierung zumindest aus Wolfram und mindestens einem der nachfolgend aufgeführten Elemente oder Verbindungen besteht: Zirconium und/oder Hafnium und/oder Zirconiumoxid und/oder Hafniumoxid.
Elektrode (7) nach Anspruch 1, wobei der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids minimal 0,1 %, besser minimal 0,3 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes (7.2) beträgt.
Elektrode (7) nach Anspruch 1, wobei der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids maximal 5 %, besser maximal 2 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes (7.2) beträgt.
Elektrode (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des Wolframs mindestens 95 %, besser minimal 98 %, am besten 99 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes (7.2) beträgt.
Elektrode (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zu 100 % des Volumens oder der Masse verbleibende Anteil der Legierung des Emissionseinsatzes (7.2) zu mindestens 20 %, besser minimal 25 %, noch besser minimal 30 % aus Kupfer und/oder Silber gebildet wird.
Elektrode (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (7) ein vorderes Ende (7.4) und ein hinteres Ende (7.3) aufweist, sich entlang einer Längsachse L erstreckt und sich der Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) befindet.
Elektrode (7) nach Anspruch 6, wobei zumindest ein Teil des Emissionseinsatzes (7.2) in Richtung des vorderen Endes (7.4) der Elektrode (7) aus dem Elektrodenhalter (7.1) hervorsteht oder herausragt.
Elektrode (7) nach Anspruch 7, wobei der aus dem Elektrodenhalter (7.1) hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz (7.2) einen sich in Richtung des vorderen Endes (7.4), vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt (7.2.3) aufweist.
Elektrode (7) nach Anspruch 8, wobei eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche (7.2.5) des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts (7.2.3) einen Winkel (β) von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°zwischen der Außenfläche (7.2.5) und der Längsachse (L) bildet.
Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Elektrodenhalter (7.1) zum vorderen Ende (7.4) einen sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt (7.1.1) aufweist.
Elektrode (7) nach Anspruch 10, wobei eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse (L) erstreckende Außenfläche (7.1.3) des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts (7.1.1) einen Winkel (a) von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25° zwischen der Außenfläche (7.1.3) und der Längsachse (L) bildet.
Elektrode (7) nach Anspruch 11, wobei die Winkel (a) und (β) einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° aufweisen, am besten gleich groß sind.
Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) der Elektrode (7) eine Kreisfläche (7.2.4) aufweist, die einen Durchmesser (D3) von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.
Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei der Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) der Elektrode (7) eine Kreisfläche (7.2.4) aufweist, die einem Durchmesser (D3) von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist.
Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei der Emissionseinsatz (7.2) einen größten Außendurchmesser (D2) und der Elektrodenhalter (7.1) einen kleinsten Außendurchmesser (D1) hat, wobei die Differenz zwischen (D1) und (D2) zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.
Elektrode (7) für einen Plasmaschneidbrenner, wobei die Elektrode (7) ein vorderes Ende (7.4) und ein hinteres Ende (7.3) aufweist, sich entlang einer Längsachse (L) erstreckt und zumindest einen Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) sowie einen Elektrodenhalter (7.1) aufweist, insbesondere wobei zumindest ein Teil des Emissionseinsatzes (7.2) in Richtung des vorderen Endes (7.4) der Elektrode (7) aus dem Elektrodenhalter (7.1) hervorsteht oder herausragt, insbesondere wobei der aus dem Elektrodenhalter (7.1) hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz (7.2) einen sich in Richtung des vorderen Endes (7.4), vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt (7.2.3) aufweist.
Elektrode (7) nach Anspruch 16, wobei eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse (L) erstreckende Außenfläche (7.2.5) des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts (7.2.3) einen Winkel (β) von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°zwischen der Außenfläche (7.2.5) und der Längsachse (L) bildet.
Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei der Elektrodenhalter (7.1) zum vorderen Ende (7.4) einen sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt (7.1.1) aufweist.
Elektrode (7) nach Anspruch 18, wobei eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse (L) erstreckende Außenflächen (7.1.3) des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts (7.1.1) einen Winkel (α) von 15° bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°zwischen der Außenfläche (7.1.3) und der Längsachse (L) bildet.
Elektrode (7) nach Anspruch 19, wobei die Winkel (α) und (β) einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° aufweisen, am besten gleich groß sind.
Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei der Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) der Elektrode (7) eine Kreisfläche (7.2.4) aufweist, die einen Durchmesser (D3) von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.
Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) der Elektrode (7) eine Kreisfläche (7.2.4) aufweist, die einen Durchmesser (D3) von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist.
Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei der Emissionseinsatz (7.2) einen größten Außendurchmesser (D2) und der Elektrodenhalter (7.1) einen kleinsten Außendurchmesser (D1) hat, wobei die Differenz zwischen (D1) und (D2) zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.
Anordnung aus einer Elektrode (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche und einer Düse (4).
Anordnung nach Anspruch 24, wobei die Winkel zwischen der Außenfläche (7.1.3) des konischen Abschnitts (7.1.1) der Elektrode (7) und der Längsachse (L) sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse (4) und der Längsachse (L) einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° aufweisen, noch besser gleich groß sind.
Anordnung nach Anspruch 24 oder 25, wobei für einen Abstand L1 zwischen dem vorderen Ende (14) der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals (4.1) der Düse (4) gilt: L1≤ 1,5 mm, besser L1 ≤ 1mm und/oder L1 ≤ 1,5 *D4, besser L1 ≤ 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.
Plasmaschneidbrenner, umfassend eine Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, eine Düse (4) und/oder eine Düsenschutzkappe (9) und/oder eine Plasmagasführung (3.1).
Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 27 mit einer Elektrode nach Anspruch 11 oder 19, wobei die Winkel zwischen der Außenfläche (7.1.3) des konischen Abschnitts (7.1.1) der Elektrode (7) und der Längsachse (L) sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse (4) und der Längsachse (L) einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° aufweisen, noch besser gleich groß sind.
Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 27 oder 28, wobei für einen Abstand L1 zwischen dem vorderen Ende (14) der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals (4.1) gilt: L1 für einen Abstand L1 zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals gilt: L1≤ 1,5 mm, besser L1 ≤ 1mm und/oder L1 ≤ 1,5 *D4, besser L1 ≤ 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.
Verfahren zum Plasmaschneiden, unter Verwendung eines Plasmaschneidbrenners nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei der Plasmaschneidbrenner (1) mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff als Plasmagas betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Plasmagasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff besteht.
Verfahren zum Plasmaschneiden nach einem der Ansprüche 30 bis 31, wobei der Plasmaschneidbrenner mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff oder Luft oder einem Gasgemisch mit Luft als Sekundärgas betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Sekundärgasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff oder aus Luft und Argon oder aus Luft und Stickstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei mindestens 30 %, besser 50 % und am besten 75 % des Volumens des Plasmagases und/oder des Sekundärgases aus Stickstoff oder Luft bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, wobei die Elektrode (7) und/oder die Düse (4) und/oder die Düsenschutzkappe (9) mit einem flüssigen Medium gekühlt wird/werden.
Verfahren zum Plasmaschneiden nach einem der Ansprüche 30 bis 35, wobei das zu schneidende Werkstück aus einem hochlegierten Stahl, einem rostfreien Stahl oder einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung besteht.
Verfahren zum Plasmaschneiden nach Anspruch 36, wobei das Nichteisenmetall zumindest teilweise aus Aluminium, Kupfer, Titan, Zink oder Zinn besteht.