DE19727450A1 - Plasmabrenner - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmabrenner und bezieht sich im besonderen auf eine Düsenhalter-Düse-Gruppe für Plasmabrenner.

Bei Brennern dieser Art wird eine elektrische Bogenentladung, die einen Lichtbogen zwischen dem metallischen Werkstück und einer Elektrode bildet, in Verbindung mit ein- oder zweiatomigen Gasen (wie zum Beispiel Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, u. a.) verwendet, um das Gas in den Plasmazustand mit extrem hohen Temperaturen von bis zu über 10000 °C zu überführen.

In der Regel ist eine zylinderförmige Elektrode vorgesehen, die auf dem Brenner montiert und über einen Leiter an den Minuspol der Leistungs­ spannung angeschlossen ist. Außerdem ist eine kappenförmige Anode so auf der Elektrode montiert, daß sie deren Endabschnitt bedeckt. Die Kappe ist gegen die Elektrode isoliert und über einen zweiten Leiter an den Pluspol der Leistungsspannung angeschlossen. In den zwischen Kappe und Elektrode gebildeten schmalen Zwischenraum wird unter Druck das Gasplasma eingeleitet, das durch eine kleine Öffnung der Kappe austreten kann, die normalerweise als Düse bezeichnet wird.

Bei Schneidarbeiten ist es nie auszuschließen, daß der Arbeiter versehentlich mit der Außenseite der unter Spannung stehenden Düse in Berührung kommt.

Es ist dabei unbedingt zu berücksichtigen, daß die besonders harten Einsatz­ bedingungen, in denen sich die Düse während des Gebrauchs befindet bzw. befinden kann, sehr strenge Entwurfs- und Konstruktionsvorgaben auferlegen.

Unter den Faktoren, die am stärksten zu den harten Einsatzbedingungen der Düsen beitragen, sind folgende hervorzuheben:
Ein erster Faktor betrifft die extrem hohen Temperaturen, die während des Schneidvorgangs erreicht werden.

Ein zweiter Faktor betrifft das Auftreten von kleinen Partikeln geschmolzenen Metalls, die während des Schneidprozesses in nicht immer vorhersehbare Richtungen geschleudert werden.

Außerdem kann der Schneidbogen bei falschem Gebrauch, wie zum Beispiel bei über den zulässigen Werten liegender Schneidgeschwindigkeit und/oder Schnittstärke, die Außenseite der Düse und des Düsenhalters streifen.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmabrenner, bei dem vorgesehen ist, daß die Außenwände des Düsenhalters auch unter den oben beschriebenen harten Einsatzbedingungen elektrisch isoliert sind.

Im einzelnen werden die seitlichen Außenwände des Düsenhalters durch einen Außenüberzug aus elektrisch isolierendem Material isoliert, das auf einen (elektrisch direkt mit der Düse verbundenen) Verbindungsabschnitt aufgezogen oder aufgepreßt ist. Ferner ist am distalen Ende (distal = weiter vom Rumpf entfernt liegend) ein Kranz vorgesehen, der aus thermisch beständigem Material gefertigt und gegen den Verbindungsabschnitt (und damit gegen die Düse) isoliert ist.

Auf diese Weise ist es möglich, nach dieser Erfindung Düsenhalter für Plasmabrenner zu verwirklichen, die das Arbeiten bei maximaler Sicherheit gestatten, und dies dank der elektrischen Isolierung des Außenüberzuges (bedingt durch den verwendeten Werkstoff) und dank der Isolierung, die am distalen Abschnitt durch den Kranz gegeben ist, der einerseits, weil auf dem Isolierüberzug montiert, elektrisch isoliert ist, und andererseits aufgrund seiner thermischen Beständigkeit den Schutzüberzug vor eventuellen Wechselwirkungen mit Materialteilchen bei Gebrauch des Brenners schützt.

Mit anderen Worten ist am distalen Ende ein Kranz vorgesehen, der als Schutz für den Isolierüberzug dient.

Die vorliegende Erfindung kann außerdem einen zwischen dem Kranz und der Düse vorhandenen Zwischenraum vorsehen, auf den geeignete Mittel einwirken, die dazu dienen, einen Medienfluß zu erzeugen, um den Zwischenraum von Materialteilchen freizuhalten und somit den Kranz dauerhaft von der Düse zu isolieren, d. h. auch unter Einsatzbedingungen, bei denen Metallkörnchen oder -staub entstehen können. Mit anderen Worten wird der zur Düsenkühlung verwendete Luftstrom auch zur Kühlung des Kranzes und zur Befreiung des Zwischenraumes von Bearbeitungsrückständen genutzt.

In einer möglichen Ausführungsform kann die Düse ein distales Ende (oder Schneidöffnung) aufweisen, das konkav geformt ist, so daß eventuelle Rückstrahlungen von der Arbeitsoberfläche und eventuelle Bearbeitungs­ rückstände radial nach außen abgeleitet werden, wodurch nicht nur die seitlichen Wände der Düse und des Düsenhalters geschützt werden, sondern auch der genannte Zwischenraum.

Mit nicht einschränkendem Bezug auf den sogenannten Prüffinger, der üblicherweise im Rahmen der internationalen Sicherheitsnormen eingesetzt wird, ist die Düse unter den in EN 60529 angegebenen Bedingungen rundherum durch den genannten Kranz so weit geschützt, daß kein elektrischer Kontakt mit dem Prüffinger hergestellt werden kann, und folglich auch in den obengenannten realen Arbeitsbedingungen.

Die technischen Eigenschaften der Erfindung im Hinblick auf die oben­ genannten Zwecke sind eindeutig dem Inhalt der nachstehenden Ansprüche zu entnehmen, und ihre Vorzüge gehen deutlicher aus der nachstehenden Beschreibung hervor, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht.

Diese stellen eine Verwirklichungsform der Erfindung dar, die nur als Beispiel dient und keineswegs einschränkenden Charakter hat, wobei:

• - Abb. 1 im Längsschnitt ein mögliches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
• - Abb. 2 eine Vergrößerung eines in Abb. 1 mit gestrichelter Linie umrandeten Ausschnittes zeigt;
• - Abb. 3 im Längsschnitt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Düsenhalters für Plasmabrenner der bekannten Art zeigt.

Abb. 3 zeigt in schematischer Darstellung den Stand der bekannten Technik, bei der ein Düsenhalter der bekannten Art (mit 1′ gekennzeichnet) nicht die Isolierung einer passenden Düse 4 ermöglicht.

In der Tat ist der Düsenhalter 1′ auf den Brenner 9 zu montieren, indem er in Höhe eines Verbindungsabschnittes 2 auf ein Gewindestück 92 des Brenners 9 aufgeschraubt wird. Die Düse 4 ist auf den Verbindungsabschnitt zu montieren und ist daher elektrisch mit diesem verbunden. Mit dem Aufsetzen des Düsenhalters 1′ auf dem Brenner 9 wird der Sicherheitskreis geschlossen (da die Anschlußelemente 19 und 91 von Düsenhalter bzw. Brenner miteinander verbunden sind) und die Düse 4 kann mit Körperteilen des Arbeiters in Berührung kommen, wenn sie auf einer Bearbeitungsfläche S aufliegt.

In Abb. 3 ist diese Wechselwirkung im Kreis C hervorgehoben und durch den Kontakt zwischen der Düse 4 und einem Prüffinger D dargestellt.

Nach der vorliegenden Erfindung und in Übereinstimmung mit dem in den Abb. 1 und 2 dargestellten, nicht einschränkenden Beispiel, ist ein Düsenhalter 1 für Plasmabrenner an einem ersten oberen oder proximalen Ende 10 (proximal = näher zum Rumpf liegend) an einen Plasmabrenner 9 anschließbar, der im Detail dargestellt ist, was seinen innovativen Teil, d. h. den aus Düsenhalter 1 und Düse 4 bestehenden Teil, betrifft.

Der Düsenhalter 1 weist unten ein distales Ende 11 (oder Schneidöffnung) auf, das zur Aufnahme einer Düse 4 dient, die an dem Düsenhalter 1 über einen Verbindungsabschnitt 2 befestigt werden kann, der daher elektrisch mit der Düse 4 verbunden ist.

Der Düsenhalter 1 ist vorteilhaft mit einem Außenüberzug 5 aus elektrisch isolierendem Material versehen, der sich über die Längsausdehnung des Verbindungsabschnittes 2 erstreckt so daß er diesen bis zum distalen Ende 11 hin bedeckt, an dem ein Kranz 3 aus thermisch beständigem Material vorgesehen ist, der fest an dem unteren Ende 51 des Außenüberzuges 5 befestigt und elektrisch gegen den Verbindungsabschnitt 2 isoliert ist.

Auf diese Weise ist rund um die Düse 4 ein Kranz 3 vorgesehen, der, wie aus den Abb. 1 und 2 ersichtlich, keine Berührung zwischen dem Finger D und der Düse 4 ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil, den der Einsatz eines derart aufgebauten Düsenhalters 1 zusätzlich zur elektrischen Isolierung der Düse 4 bietet, ist die Schutzfunktion, die der thermisch beständige Kranz 3 (beispielsweise aus Kupfer gefertigt) gegenüber dem Außenüberzug 5 ausübt, der zwar elektrisch isolierend ist, gleichzeitig aber nicht beständig gegenüber den Einflüssen eventueller Bearbeitungsrückstände oder abgelenkter Lichtbogenströme sein könnte (und in der Regel auch nicht ist).

Um nun das illustrierte Ausführungsbeispiel im Detail zu beschreiben, besteht der Verbindungsabschnitt 2 aus einem ersten rohrförmigen, zylindrischen Element, das einen distalen Abschnitt 21 mit einem Querschnitt aufweist, der zum Ende hin abnimmt, d. h. dessen zylindrisches Profil in ein kegelstumpfförmiges übergeht, und der an seinem unteren Ende 21 einen Durchmesser vom Wert D2 annimmt, der sich dem Durchmesser D4 der Düse 4 nähert, aber etwas größer ist.

Der Außenüberzug 5 besteht aus einem zweiten zylindrischen Element, das koaxial zu und außerhalb vom Verbindungsabschnitt 2 angeordnet ist und einen distalen Abschnitt 51 aufweist, der zu seinem Ende hin abnimmt, d. h. dessen zylindrisches Profil in ein kegelstumpfförmiges übergeht und somit das Profil des Verbindungsabschnittes nachzeichnet.

Der Kranz 3 besteht aus einem ringförmigen Element mit kegelstumpf­ förmigem Profil, das fest auf dem unteren Ende 51 des Außenüberzuges 5 befestigt werden kann. Dieses ringförmige Element (Krone 3) wird durch das untere Ende 5 1 des Überzuges 5 von dem Verbindungsabschnitt 2 getrennt.

Der Verbindungsabschnitt 2 und der Kranz 3 können an ihren unteren Enden 21 bzw. 31 entweder nur durch das untere Ende 51 des Überzuges 5 getrennt sein, oder aber, wie im gezeigten Beispiel, auch durch einen Isolierring 7 mit einer Stärke, die im wesentlichen der Stärke des unteren Endes 51 des Überzuges 5 entspricht.

Ebenfalls mit Bezug auf das gezeigte Beispiel, weist der Kranz 3 einen Innendurchmesser auf, der an seinem unteren Ende 31 einen Durchmesser vom Wert D3 annimmt, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser D2 des unteren Endes des Verbindungsabschnittes 2 ist, d. h. der sich dem Außendurchmesser D4 der Düse 4 nähert, aber etwas größer ist.

In Abb. 2 wurden die Werte der Durchmesser D2, D3 und D4, da es sich jeweils um die Hälfte des Gesamtwertes handelt, mit D2/2, D3/2 und D4/2 gekennzeichnet.

Auf diese Weise wird ein Zwischenraum 6 gebildet, der sich zwischen der Düse 4 und dem Kranz 3 erstreckt (wie auch zwischen der Düse 4 und dem Verbindungsabschnitt 2) und der an geeignete Mittel angeschlossen wird, die dazu dienen, einen unter Druck stehenden Medienfluß zu erzeugen, der die Ablagerung von Materialteilchen im Zwischenraum und damit die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Düse 4 und dem Kranz 3 verhindert.

Diese Mittel zur Erzeugung eines Luftstromes können mindestens eine Bohrung 8 umfassen, die in mindestens einem Bereich des unteren Endes 21 des Verbindungsabschnittes 2 vorgesehen ist. Mit anderen Worten ist die Bohrung 8 so angeordnet, daß sie mit dem Zwischenraum 6 so verbunden ist, daß der betreffende Luftstrom in die Bohrung 8 münden kann, d. h. den Zwischenraum durchfließen kann, nachdem er durch die Bohrung 8 geströmt ist. Selbstverständlich kann der Zwischenraum 6 mit mehreren Bohrungen 8 verbunden sein, wie z. B. einer Reihe von rundum über den Verbindungsabschnitt 2 verteilten Bohrungen, durch die ein Kühlluftstrom geleitet wird.

Der Luftstrom trägt somit also sowohl zur Kühlung, als auch zur Isolierung zwischen Düse 4 und Kranz 3 bei.

In einem möglichen Ausführungsbeispiel kann der Brenner eine Düse aufweisen, deren Form der gestrichelten Linie in Abb. 2 entspricht.

In diesem Ausführungsbeispiel der Düse 4 ist mit 40 das entsprechende obere oder proximale Ende, mit 44 die seitliche Oberfläche und mit 41 das untere oder distale Ende bezeichnet.

Das obere oder proximale Ende 40 ist zum Anschluß an den Plasmabrenner 9 bestimmt, oder genauer gesagt dazu, von dem Verbindungsabschnitt 2 gehalten zu werden.

Das distale Ende (oder Schneidöffnung) 41 ist dazu bestimmt, gegen die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet zu werden, um Schneidarbeiten auszuführen, bei denen aus dem distalen Ende 41 ein vom Schneidlichtbogen kommender Strahl austritt.

Das distale Ende oder Schneidöffnung 41 weist, im Achsenschnitt gesehen, ein konkav gekrümmtes Profil 42 auf, so daß eine Ableitfläche gebildet wird, die dazu dient, die Rückströmung von der Bearbeitungsoberfläche und/oder evtl. Materialteilchen seitlich abzuleiten. Auf diese Weise wird die Verstopfung des Zwischenraums 6 und damit die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Düse 4 und Kranz 3 verhindert.

Das distale Ende oder Schneidöffnung 41 bildet, im Achsenschnitt gesehen zusammen mit der seitlichen Oberfläche 44 einen Winkel α, der sich einem rechten Winkel annähert, genauer gesagt einem Winkel von etwas über 90°. Das distale Ende oder Ableitöffnung 41 kann, ebenfalls im Achsenschnitt gesehen, die Form einer geknickten Geraden aufweisen.

Die so konzipierte Erfindung kann zahlreichen Änderungen und Varianten unterliegen, die alle in den Bereich des Erfindungsgedankens fallen. Außerdem können alle Details durch technisch gleichwertige Elemente ersetzt werden.

Claims (10)

1. Ein Plasmabrenner, der einen Düsenhalter beinhaltet, der an einem ersten oberen oder proximalen Ende (10) an den genannten Plasmabrenner (9) anzuschließen ist und unten ein distales Ende (11) oder Schneidöffnung aufweist, das zum Halten einer Düse (4) dient, welche am Düsenhalter (1) durch einen elektrisch mit der Düse (4) verbundenen Verbindungsabschnitt (2) befestigt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Düsenhalter mit einem Außenüberzug (5) versehen ist, der aus elektrisch isolierendem Material gefertigt ist und sich über die Längsausdehnung des genannten Verbindungsabschnittes (2) erstreckt so daß er diesen bis zum distalen Ende (11) hin bedeckt, an dem ein Kranz (3) aus thermisch beständigem Material vorgesehen ist, der fest an dem unteren Ende (51) des genannten Außenüberzuges (5) befestigt und elektrisch gegen den genannten Verbindungsabschnitt (2) isoliert ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kranz (3) aus einem ringförmigen Element besteht, das einen Innendurchmesser (D3) aufweist, der nur wenig größer ist als der Außendurchmesser (D4) der genannten Düse (4), und das daher von der Düse durch einen Zwischenraum (6) getrennt ist, der an geeignete Mittel angeschlossen wird, die dazu dienen, einen unter Druck stehenden Medienfluß zu erzeugen, der die Ablagerung von Materialteilchen im Zwischenraum und damit die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Düse (4) und dem Kranz (3) verhindert.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Zwischenraum (6) mit mindestens einer Bohrung (8) verbunden ist, die in mindestens einem unteren Bereich (2 l) des genannten Verbindungsabschnittes (2) vorgesehen ist und durch die ein Kühlungsluftstrom geleitet wird.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Verbindungsabschnitt (2) aus einem ersten rohrförmigen. zylindrischen Element besteht, das einen distalen Abschnitt (2 l) mit einem Querschnitt aufweist, der zum Ende hin abnimmt, d. h. dessen zylindrisches Profil in ein kegelstumpfförmiges übergeht, und der an seinem unteren Ende (21) einen Durchmesser vom Wert (D2) annimmt, der sich dem Durchmesser (D4) der genannte Düse (4) nähert, aber etwas größer ist;
daß der genannte Außenüberzug (5) aus einem zweiten zylindrischen Element besteht, das koaxial zu und außerhalb vom genannten Verbindungsabschnitt (2) angeordnet ist und einen distalen Abschnitt (51) aufweist, der zu seinem Ende hin abnimmt, d. h. dessen zylindrisches Profil in ein kegelstumpfförmiges übergeht und somit das Profil des genannten Verbindungsabschnittes (2) nachzeichnet;
und daß der Kranz (3) aus einem ringförmigen Element mit kegelstumpf­ förmigem Profil besteht, das fest auf dem unteren Ende (51) des genannten Außenüberzuges (5) befestigt werden kann; das durch das untere Ende (51) des Überzuges (5) von dem genannten Verbindungsabschnitt (2) getrennt wird; und das einen Durchmesser aufweist, der an seinem unteren Ende (31) einen Wert (D3) annimmt, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser des unteren Endes (21) des Verbindungsabschnittes (2) ist, d. h. der sich dem Außendurchmesser (D4) der Düse (4) nähert, aber leicht darüber liegt, so daß ein Zwischenraum (6) gebildet wird, der an geeignete Mittel angeschlossen ist, die dazu dienen, einen unter Druck stehenden Medienfluß zu erzeugen der die Ablagerung von Materialteilchen im Zwischenraum und damit die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der genannten Düse (4) und dem genannten Kranz (3) verhindert.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Zwischenraum (6) mit mindestens einer Bohrung (8) verbunden ist, die in mindestens einem unteren Bereich (21) des genannten Verbindungsabschnittes (2) vorgesehen ist und durch die ein Kühlungsluftstrom geleitet wird.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er zwischen dem genannten unteren Ende (31) des Kranzes (3) und dem genannten unteren Ende (21) des Verbindungsabschnittes (2) ein Isolierring (7) beinhaltet, dessen Stärke im wesentlichen der Stärke des genannten unteren Endes (51) des Überzuges (5) entspricht.

7. Plasmabrenner nach Anspruch 2 oder 4, bei dem die genannte Düse (4) ein oberes oder proximales Ende (40), eine seitliche Oberfläche (44) und ein unteres oder distales Ende (41) aufweist, wobei das obere oder proximale Ende (40) zum Anschluß an den Plasmabrenner (9) bestimmt ist, oder genauer gesagt dazu, von dem Verbindungsabschnitt (2) gehalten zu werden, während das distale Ende oder Schneidöffnung (41) dazu bestimmt ist, gegen die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet zu werden, um Schneidarbeiten auszuführen, bei denen aus dem distalen Ende (41) ein vom Schneidlichtbogen kommender Strahl austritt; dadurch gekennzeichnet, daß das genannte distale Ende oder Schneidöffnung (41), im Achsenschnitt gesehen, ein konkav gekrümmtes Profil (42) aufweist, so daß eine Ableitfläche gebildet wird, die dazu dient, den Rückstrahl von der Bearbeitungsoberfläche und/oder evtl. Materialteilchen seitlich abzuleiten, so daß die Verstopfung des Zwischenraums (6) und damit die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Düse (4) und Kranz (3) verhindert wird.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende oder Schneidöffnung (41), im Achsenschnitt gesehen, zusammen mit der seitlichen Oberfläche (44) einen Winkel (α) bildet, der sich einem rechten Winkel annähert.

9. Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Winkel (α) ein Winkel von etwas über 90° ist.

10. Plasmabrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte distale Ende oder Ableitöffnung (41), im Achsenschnitt gesehen, die Form einer geknickten Geraden aufweist.