DE1208838B - Arc plasma torch - Google Patents

Arc plasma torch

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DE1208838B
DE1208838B DEU9680A DEU0009680A DE1208838B DE 1208838 B DE1208838 B DE 1208838B DE U9680 A DEU9680 A DE U9680A DE U0009680 A DEU0009680 A DE U0009680A DE 1208838 B DE1208838 B DE 1208838B
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Germany
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arc
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arc plasma
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Leonard Mauskapf
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Union Carbide Corp
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Union Carbide Corp
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

B23kB23k

Deutsche KL: 21h-30/12German KL: 21h-30/12

Nummer: 1208 838Number: 1208 838

Aktenzeichen: U 9680 VIII d/21 hFile number: U 9680 VIII d / 21 h

Anmeldetag: 29. März 1963 Filing date: March 29, 1963

Auslegetäg: 13. Januar 1966Opening date: January 13, 1966

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenplasma-Brenner mit einem zusätzlichen Gas-Hüllstrom um den zentralen Plasmastrahl, insbesondere zum Schneiden, Schweißen und Schälen.The invention relates to an arc plasma torch with an additional gas sheath flow around the central plasma jet, especially for cutting, Welding and peeling.

Lichtbogenplasma-Brenner weisen allgemein eine Stabelektrode auf, die innerhalb einer Düse mit verengter Auslaßöffnung angeordnet ist. Ein Lichtbogen wird zwischen der Stabelektrode und dem Werkstück gezogen. · Ein in die Düse eingeführter Gasstrom, der zusammen mit dem Lichtbogen durch die verengte Auslaßöffnung austritt, bildet ein richtungsstabiles, gegen das Werkstück gerichtetes Lichtbogenplasma. Die mittels solcher Brenner erzielten Ergebnisse hängen von der Beschaffenheit der zu schneidenden Flächen oder der Schweiße sowie von der Arbeitsgeschwindigkeit ab.Arc plasma torches generally have a rod electrode that is constricted within a nozzle with Outlet opening is arranged. An arc is created between the stick electrode and the workpiece drawn. A flow of gas introduced into the nozzle which, together with the arc, is narrowed through the Exits outlet opening, forms a directionally stable arc plasma directed against the workpiece. The results obtained with such torches depend on the nature of the material to be cut Surfaces or welds as well as the working speed.

Es wurde überraschend gefunden, daß die Afbeitsqualität und die Arbeitsgeschwindigkeit wesentlich dadurch gesteigert werden können, daß bei einem Brenner der eingangs genannten Art die verengte Auslaßöffnung der Düse von einer Mehrzahl ringförmig angeordneter Gasdurchlässe konzentrisch umgeben ist, die mit dem Gasraum innerhalb der Düse in Verbindung stehen. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, daß ein besonders weitreichender, steifer Plasmastrahl erhalten wird, weil der aus den ringförmig angeordneten Gasdurchlässen austretende Hüllstrahl die Plasmasäule begrenzt und den Durchtritt des Plasmastrahls, durch den .Raum,zwischen ~'1' Düse und Werkstück erleichtert.It has surprisingly been found that the working quality and the working speed can be significantly increased in that, in a burner of the type mentioned, the narrowed outlet opening of the nozzle is concentrically surrounded by a plurality of annularly arranged gas passages which are in communication with the gas space inside the nozzle . This is probably due to the fact that a particularly extensive, stiff plasma jet is obtained, because the emerging from the annularly arranged gas passages envelope jet delimits the plasma column and facilitates the passage of the plasma jet, through the .Raum between ~ '1' nozzle and the workpiece.

Versuche zeigten besonders beachtliche Verbesserungen beim Schneiden mit "möglichst senkrecht zu Ober- und Unterseite des Werkstücks verlaufenden Schnittflächen. Mit einem erfindungsgemäß aus- ■ gebildeten Brenner konnte eine bessere Schnittgüte bei mehr als der doppelten Schnittgeschwindigkeit eines üblichen Plasmaschneidbrenners erhalten werden, dessen Düse nur die verengte mittlere Auslaßöffnung hat. -■;Tests have shown particularly notable improvements when cutting with "as perpendicular as possible to Top and bottom of the workpiece running cut surfaces. With an inventive concept The torch formed could achieve a better quality of cut at more than twice the cutting speed a conventional plasma cutting torch can be obtained, the nozzle of which only the narrowed central outlet opening Has. - ■;

Es ist zwar bei Lichtbogenplasma-Brennern bereits bekannt, den Plasmastrahl mit einem" zusätzlichen Gasmäntel zu umhüllen, der aus Gasdurchlässen austritt, die die verengte Auslaßöffnung ringförmig umgeben. Dabei geht es jedoch nur darum, die Innenwandungen der Düse zu schützen oder mittels des Hüllstrahls des Sekundärgases eine zusätzliche Abschirmung der' Schweißstelle zu bewirken, während als Mittel zur Erzeugung eines steifen und stabilen Pläsmastroms die kinetische Energie des eigentlichen Plasmastrahls dient.It is already known in the case of arc plasma torches to inject the plasma jet with an "additional To envelop gas jackets that emerge from gas passages that form the narrowed outlet opening in an annular manner surround. However, it is only a matter of protecting the inner walls of the nozzle or by means of the Enveloping jet of the secondary gas to cause additional shielding of the 'welding point while as a means of generating a stiff and stable Pläsma stream the kinetic energy of the actual Plasma jet is used.

: Bei Schweißbrennern ist es ferner bekannt, um eine zentrale Düse herum ringförmig angeordnete Einzel-Lichtbogenplasma-Brenner : In the case of welding torches, it is also known to have single arc plasma torches arranged in a ring around a central nozzle

Anmelder:Applicant:

Union Carbide Corporation, New York, N. Y.Union Carbide Corporation, New York, N.Y.

(V. St. A.)(V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. G. Schwan, Pateritanwalt,Dipl.-Ing. G. Schwan, Pateritanwalt,

München 8, Goerzer Str. 15Munich 8, Goerzer Str. 15

Als Erfinder benannt: · ..".-"Named as inventor: · .. ".-"

Leonard Mauskapf, Old Bridge, N.J. (V.St.A.)Leonard Mauskapf, Old Bridge, N.J. (V.St.A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 30. März 1962 (183 871)V. St. v. America March 30, 1962 (183 871)

düsen vorzusehen. Auch dort soll aber nur die Schweißstelle abgeschirmt und nicht ein weitreichender, steifer Plasmastrahl erzeugt werden.nozzles to be provided. Even there, however, only the welding point should be shielded and not a far-reaching, stiffer one Plasma jet are generated.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Düse eine ringförmige Gaskammer aufweisen, die einerseits mit der Gaszuführung und andererseits über einen oder mehrere tangential Kanäle mit dem Ringraum zwischen der Innenwand der Düse und der Stabelektrode verbunden ist.In a further embodiment of the invention, the Nozzle having an annular gas chamber, on the one hand with the gas supply and on the other hand via a or several tangential channels with the annulus is connected between the inner wall of the nozzle and the rod electrode.

Weitere Merkmale;, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigtFurther features, advantages and possible applications of the new invention result from the representations of exemplary embodiments and from the following description. It shows

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Lichtbogenbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,F i g. 1 shows a vertical section through an arc torch according to the invention for implementation the method according to the invention,

509 778/294-509 778 / 294-

3 43 4

Fig. 2 eine Unteransicht des in Fig. 1 darge- tretende Gas ist vorzugsweise ein reaktives Gas, wieFIG. 2 is a bottom view of the gas shown in FIG. 1 is preferably a reactive gas, such as

stellten Brenners, ■". '-. ■ ' "> Sauerstoff, eine Mischung aus Wasserstoff und Stick-presented burner, ■ ". '-. ■'"> oxygen, a mixture of hydrogen and nitrogen

F i g. 3 einen senkrechten Schnitt längs der Linie stoff, Luft, Kohlendioxyd oder Kohlenmonoxyd, vor-F i g. 3 a vertical section along the line material, air, carbon dioxide or carbon monoxide,

3-3 der F i g. 2. zugsweise für Schneidzwecke; zum Schweißen werden3-3 of FIG. 2. preferably for cutting purposes; to be used for welding

Der Brenner umfaßt einen Körper B aus Isolier- 5 Argon und Helium bevorzugt.The burner comprises a body B of insulating argon and helium, preferably.

material, beispielsweise Nylon, mit einer Mittel- Der Lichtbogen wird durch das Gas in der verbohrung, in der eine Elektrode E befestigt ist. Eine engten Öffnung 36 zwischen dem Elektrodenkopf 20 Stromquelle ist an die Elektrode E und das Werk- und dem Werkstück W gezogen. Die Durchtrittsstück W angeschlossen. ' öffnung 36 begrenzt und stabilisiert den Lichtbogen,material, for example nylon, with a central The arc is generated by the gas in the bore in which an electrode E is attached. A narrow opening 36 between the electrode head 20 power source is drawn to the electrode E and the work and workpiece W. The passage piece W connected. 'Opening 36 limits and stabilizes the arc,

Inder gezeigten Vorrichtung umfaßt die Elektrode i? io und der entstehende Hochleistungslichtbogen veran-In the device shown, the electrode i? io and the resulting high-performance arc

ein Elektrodenrohr 12, vorzugsweise aus Messing, laßt das austretende Plasma, auf dem Werkstückan electrode tube 12, preferably made of brass, lets the emerging plasma on the workpiece

das in das obere Ende der Bohrung in dem Brenn- zu wirken.that act in the top of the bore in the focal point.

körper B eingesteckt und am Boden durch einen Durch die Verwendung des Ringes kleiner Löcher 40 Elektrodeneinsatz 14 abgeschlossen ist, der Vorzugs- -, um die mittlere Öffnung 36 ergibt-sich ein-Schnitt weise aus einem wärmeleitenden Metall, wie Kupfer, 15 mit wenig Abschrägung und ohne Unsauberkeiten, besteht. Das Rohr 15 erstreckt sich in die Elektroden- Kohlenstoffstahl von 2,5 cm (1 Zoll) Stärke wurde mit röhre 12 und hat eine Öffnung nahe dem Einsatz 14; einer Schnittgeschwindigkeit von 75 cm/min bei 100 V es liefert Kühlwasser, das auf der Außenseite des und 200 A und Anwendung von 5,89 m3 Sauerstoff-Rohres 15 und innerhalb der Elektrodenröhre 12 gas pro Stunde geschnitten. Bei diesen Betriebswerten wieder zurückfließt. .-■--■■ 20 war die Veränderung und Verformung des 0,46 cmBody B plugged in and at the bottom by a through the use of the ring of small holes 40 electrode insert 14 is completed, the preferred - to the central opening 36 results-a-cut from a thermally conductive metal, such as copper, 15 with little bevel and without any uncleanliness. The tube 15 extends into the electrode-carbon steel 2.5 cm (1 inch) thick with tube 12 and has an opening near the insert 14; a cutting speed of 75 cm / min at 100 V it supplies cooling water that cuts gas per hour on the outside of the and 200 A and application of 5.89 m 3 oxygen tube 15 and inside the electrode tube 12. Flows back at these operating values. .- ■ - ■■ 20 was the change and deformation of the 0.46 cm

Der Elektrodeneinsatz 14 hat in der Mitte an seiner , dicken Elektrodeneinsatzes vernachlässigbar klein.The electrode insert 14 is negligibly small in the middle of its thick electrode insert.

Unterseite einen Lichtbogenkopf 20, der vorzugsweise Wenn der Brenner mit ,38OA, 130 V und 14 m3 Bottom an arc head 20, which is preferably when the torch is at, 38OA, 130 V and 14 m 3

aus sich nicht abnutzendem Material besteht, wie Sauerstoff pro Stunde' betrieben wird, kann eineconsists of non-wearing material, such as oxygen per hour 'operates, a

Zirkon, Wolfram, Zirkon* oder Thoriumverbin-- Schnittgeschwindigkeit von 200 cm/min aufrecht-Zircon, tungsten, zircon * or thorium compound - cutting speed of 200 cm / min upright-

dungen. 25 erhalten werden, aber die Lebensdauer des-Einsatzesfertilize. 25 can be obtained, but the life of the insert

Eine Gasführungsdüse 22, vorzugsweise aus wärme- wird sich wahrscheinlich verringern. Mit 1,27 cm leitendem Material, wie Kupfer, ist am Körper B dickem (VaZölligem) Kohlenstoffstahl wurden bei mit HiMe ejiner Überwurf kappe 24, vorzugsweise aus 275 A Schnitte guter Qualität mit 200 cm/min Schnitt-Messing, befestigt. ' geschwindigkeit durchgeführt und Brennschnitte er-A gas guide nozzle 22, preferably made of heat, is likely to decrease. With 1.27 cm conductive material, such as copper, on the body B thick (VaZölligem) carbon steel were attached with HiMe ejiner cap 24, preferably from 275 A cuts of good quality with 200 cm / min cut brass. '' speed carried out and flame cuts

Zwischen dem Elektrodeneinsatz 14 und dem· In- 30 gaben. 300 cm/min mit beträchtlichen Abschrägungen, neren der Düse befindet sich eine ringförmige Gas- Verschiedene Schnitte wurden an 1,27 cm dickem kammer 26. Gas wird durch einen Einlaß 28 in einen ^zölligem) nichtrostendem Stahl durchgeführt; rechtringförmigen Kanal 30 zwischen dem Körper 10 und eckige Schnitte hoher Qualität ergaben sich bei der Überwurfkappe 24 zugeführt, von dem aus es 200 cm/min, aber sie hatten rauhe Oberflächen,
tangential in die Kammer 26 durch die hierzu ebenfalls 35 Bei Testen schnitt die folgende Mehrlochanordnung tangentiale Einlaßöffnung eintritt. -. am besten ab:Between the electrode insert 14 and the input 30. Various cuts were made in 1.27 cm thick chamber 26. Gas is passed through inlet 28 in 1/4-inch stainless steel; Right-ring-shaped channel 30 between the body 10 and high quality angular cuts resulted from the cap 24 fed from which it was 200 cm / min, but they had rough surfaces,
tangentially into the chamber 26 through which for this purpose also 35. When testing, the following multi-hole arrangement intersected the tangential inlet opening. -. best from:

Die Oberflächen des Bodens des Einsatzes 14 . ; und der Innenseite der Düse 22 sind im Abstand zu-The surfaces of the bottom of the insert 14. ; and the inside of the nozzle 22 are at a distance from

einander angeordnet und bilden einen konischen Halslänge 0,63 cm (V* Zoll)one another and form a conical H alslänge 0.63 cm (V * inch)

Durchtritt oder eine Lichtbogenkammer 34, die zu 40
einer verengten Durchtrittsöffnung 36 führt. ZwischenPassage or an arc chamber 34, which leads to 40
a narrowed passage opening 36 leads. Between

der Außenseite der Düse 22 und der Innenseite der Durchmesser des Mittellochs 0,31 cmthe outside of the nozzle 22 and the inside the diameter of the center hole 0.31 cm

Überwurfkappe 24 befindet sich zwecks Kühlung n/a Zoll)
ein Ringraum 38.Cap 24 is in place for cooling n / a inch)
an annulus 38.

Der Boden der Düse weist eine Mehrzahl von 45 _ .The bottom of the nozzle has a plurality of 45_.

Löchern 40 auf, die im wesentlichen die mittlere ver- Zahl der umgebenden Locher 10Holes 40, which are essentially the average number of surrounding holes 10

engte Durchtrittsöffnung 36 umgeben.narrow passage opening 36 surrounded.

Die im Detail in den F i g. 2 und 3 gezeigte Düse Durchmesser der umgebenden Löcher 0,098 cmThe detailed in FIGS. Nozzle shown in Figures 2 and 3, diameter of surrounding holes 0.098 cm

weist einen Napf auf mit einer mittleren Büchse 42 /n «3« 7 ji\has a bowl with a middle sleeve 42 / n «3« 7 ji \

innerhalb einer zylindrischen Seitenwandung und 50 '
einem konischen Boden 44 an der Grundfläche. Diewithin a cylindrical side wall and 50 '
a conical bottom 44 on the base. the

Seitenwand hat eine ringförmige Nut 46, die den Ümgebungslochkreisdurchmesser 0,94 cmSidewall has an annular groove 46 that has the surrounding pitch circle diameter of 0.94 cm

Ringraum 38 zwischen oberen und unteren Flanschen (3/. χ,όΆ)
48 und 50 bildet, die zur Ausbildung von Sitzen für
hitzeunempfindliches Dichtmaterial, wie Silikondicht- 55
ringe 52, abgeschrägt sind.Annular space 38 between upper and lower flanges (3 /. Χ, όΆ)
48 and 50 forms which are used to form seats for
heat-resistant sealing material, such as silicone sealant 55
rings 52, are beveled.

Die Löcher 40 sind vorzugsweise von der Außen- Schneidversuche mit einem Lichtbogenbrenner, derThe holes 40 are preferably from external cutting attempts with an arc torch, the

seite her durch den konischen Boden 44 gebohrt, eine Zirkon-Einsatzkathode und einen Mehrlochgas-side drilled through the conical bottom 44, a zirconium insert cathode and a multi-hole gas

und es sind vorzugsweise zwischen acht und sechzehn austritt hatte, ergaben die der folgenden Tabelle zu an der Zahl, und sie sind im wesentUehen im gleichen 60 entnehmenden Optimalbedingungen für 2,5 cm dickesand there are preferably between eight and sixteen exits, as shown in the table below in number, and they are essentially the same as 60 extracting optimal conditions for one inch thick

Abstand voneinander angeordnet und beträchtlich (einzölliges) Material.Spaced apart and considerable (one-inch) material.

kleiner als die verengte Öffnung 36. Die Löcher 40 . Bei den oben beschriebenen Versuchen wurde dassmaller than the narrowed opening 36. The holes 40. In the experiments described above, the

sind vorzugsweise genügend licht aneinander an- Lichtbogengas tangential mit Schallgeschwindigkeitare preferably enough light to each other- arc gas tangential at the speed of sound

geordnet, so daß sich ein im wesentlichen ringförmiger eingeführt; vergleichsweise wurden Versuche mit Gasstrom ausbildet, der das aus der verengten Öff- 65 radialem Gaseinlaß durchgeführt, die geringere Schnitt-ordered so that a substantially ring-shaped inserted; comparative tests were made with Forms gas flow, which is carried out from the narrowed opening 65 radial gas inlet, the lower cutting

nung 36 austretende Plasma umgibt. geschwindigkeiten, schlechtere Schnittqualität undtion 36 surrounds emerging plasma. speeds, poorer cutting quality and

Das durch die Einlaßöffnung 28, den ringförmigen größere Abnutzung des Zirkon-ElektrodeneinsatzesThat through the inlet opening 28, the annular greater wear of the zirconium electrode insert

Gaskanal 30 und die ringförmige Gaskammer 26 ein- ergaben.Gas channel 30 and the annular gas chamber 26 entered.

Metall*Metal* Lichtbogen
gasElectric arc
gas Gas
geschwindig
keit
m3/hgas
swiftly
speed
m 3 / h Schnitt
geschwindig
keit
cm/mincut
swiftly
speed
cm / min Strom
Acurrent
A. Spannung
Vtension
V Kammer
druck
kg/cm2 chamber
pressure
kg / cm 2 BemerkungenRemarks CSCS O2 O 2 8,48.4 100100 230230 130130 1,41.4 sehr guter Schnittvery good cut CSCS O2 O 2 14,014.0 200200 380380 130130 2,12.1 SSSS N2
H2 N 2
H 2 8,4
2,88.4
2.8 150150 330330 160160 1,91.9 sehr guter Schnitt außer ge
ringfügiger Unsauberkeitvery good cut except ge
minor uncleanliness SSSS O2 O 2 8,48.4 150150 330330 130130 2,12.1 guter Schnitt außer rauher
Oberflächegood cut except rough
surface AIAI O2 O 2 8,48.4 175175 330330 130130 1,71.7 guter Schnittgood cut

* CS = Kohlenstoffstahl,
SS = nichtrostender Stahl,
Al = Aluminium.* CS = carbon steel,
SS = stainless steel,
Al = aluminum.

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Lichtbogenplasma-Brenner mit einem zusätzlichen Gas-Hüllstrom um den zentralen Plasmastrahl, insbesondere zum Schneiden, Schweißen und Schälen, dadurchgekennzeicb.net, daß die verengte Auslaßöflfnung (36) der Düse (22) von einer Mehrzahl ringförmig angeordneter Gasdurchlässe (40) konzentrisch umgeben ist, die .mit dem Gasraum (34) innerhalb der Düse in Verbindung stehen.1. Arc plasma torch with an additional gas envelope flow around the central plasma jet, in particular for cutting, welding and peeling, thereby kennzeicb.net, that the narrowed outlet opening (36) of the nozzle (22) of a plurality of annularly arranged Gas passages (40) is concentrically surrounded, which .mit the gas space (34) inside the nozzle in Connected. 2. Lichtbogenplasma-Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (22) eine ringförmige Gaskammer (30) aufweist, die einerseits mit der Gaszuführung (28) und andererseits über einen oder mehrere tangentiale Kanäle (32) mit dem Ringraum (26) zwischen der Innenwand der Düse (22) und der Stabelektrode (12) verbunden ist.2. Arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the nozzle (22) has a has annular gas chamber (30), on the one hand with the gas supply (28) and on the other hand via one or more tangential channels (32) with the annular space (26) between the inner wall the nozzle (22) and the rod electrode (12) is connected. In Betracht gezogene Druckschriften:Considered publications: Deutsche Patentschrift Nr. 1 070 308;
USA.-Patentschriften Nr. 2 859 328, 2 887 562,
922 024, 3 028 314.German Patent No. 1,070,308;
U.S. Patents Nos. 2,859,328, 2,887,562,
922 024, 3 028 314. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
DEU9680A 1962-03-30 1963-03-29 Arc plasma torch Pending DE1208838B (en)

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