DE20121641U1 - Anordnung zur Versorgung eines Plasmabrenners mit ein Plasmagas oder Plasmamischgas oder Plasmagasgemisch umfassendem Gas und Magnetventil - Google Patents

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BOEHMERT & BOEHMERT

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Bremen,

21. November 2002

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„ Anordnung zur Versorgung eines Plasmabrenners mit ein Plasmagas oder Plasmamischgas oder Plasmagasgemisch umfassendem Gas und Magnetventil"

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Versorgung eines Plasmabrenners mit ein Plasmagas oder Plasmamischgas oder Plasmagasgemisch umfassendem Gas, mit einer Einrichtung zur Zuführung eines Plasmagases oder Plasmamischgases oder Plasmagasgemisches zu einem Plasmabrenner, wobei eine Volumenstromregeleinrichtung zur Regelung des Volumenstromes des Plasmagases bzw. Plasmamischgases bzw. Plasmagasgemisches vorgesehen ist, und ein Magnetventil.

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AIs Plasma wird ein thermisch hoch aufgeheiztes, elektrisch leitfähiges Gas bezeichnet, das aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht.

Als Plasmagas werden unterschiedliche Gase, z. B. das einatomige Argon und/oder die zweiatomigen Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Diese Gase ionisieren und dissoziieren durch die Energie des Plasmalichtbogens. Ein Plasmamischgas ist ein bereits vom Lieferanten vorgemischtes Plasmagas, während ein Plasmagasgemisch ein erst vor Ort gemischtes Plasmagas ist.

In der Regel wird bei einem Plasmabrenner das Plasma durch eine wassergekühlte Düse eingeschnürt. Dadurch können Energiedichten bis 2 &khgr; 10⁶ W/cm² erreicht werden. Im Plasmabogen eines Plasmaschneidbrenners entstehen Temperaturen bis 30.000° C, die in Verbindung mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Plasmagases sehr hohe Schneidgeschwindigkeiten an allen elektrisch leitfähigen Werkstoffen realisieren.

Für einen Plasmaschneidprozeß wird zunächst ein Pilotlichtbogen zwischen Düse und Kathode des Plasmaschneidbrenners mittels Hochspannung gezündet. Dieser energiearme Pilotbogen bereitet durch teilweise Ionisation die Strecke zwischen Plasmaschneidbrenner und Werkstück vor. Berührt der Pilotbogen das Werkstück, kommt es zur Ausbildung des Schneidlichtbogens.

Plasmaschneiden ist ein etabliertes Verfahren zum Schneiden elektrisch leitender Werkstoffe. Je nach Schneidaufgabe werden unterschiedliche Gase und Gasgemische eingesetzt. Übliche Gase und Gasgemische sind z. B. Luft, Sauerstoff, Stickstoff und Argon/Wasserstoff/Stickstoff-Gemische.

Unlegierte Stähle werden in der Regel mit Luft oder Sauerstoff geschnitten. Legierte Stähle und Nichteisenmetalle werden vorzugsweise mit speziellen Argon-Wasserstoff-, Stickstoff-

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Wasserstoff- bzw. Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gemischen geschnitten. Zur Verbesserung der Schnittqualität wird heutzutage auch ein zusätzliches Sekundärgas, das den Plasmastrahl zusätzlich umströmt, eingesetzt. Das zusätzliche Sekundärgas hat die Aufgaben, die Düse des Plasmaschneidbrenners bei Einstechen in das Werkstück vor zurückspritzendem Werkstückmaterial und damit vor einer Schädigung zu schützen, die Schmelze beim Schneiden so zu beeinflussen, daß ein bartfreier Schnitt entsteht und als Schutzgas die bereits geschnittene und noch heiße Schnittoberfläche vor Oxidation zu schützen.

Diese Plasma- und Sekundärgase sowie -mischgase und -gasgemische werden über Leitungen und Magnetventile den Plasmaschneidbrennern zugeführt. Eine Dosierung dieser Gase erfolgt bei einem Teil der bekannten Verfahren mittelbar oder unmittelbar über den Druck.

Die Druckregelung kann sowohl mechanisch über Druckminderer, als auch elektronisch über Druckregelventile erfolgen. Der Einsatz elektronischer Druckregeier ist insbesondere in automatisierten Systemen, bei denen unterschiedlichste Parameter des Plasmaschneidens, wie der Schneidstrom, die Schneidspannung, der Gasdruck, die Schneidgeschwindigkeit, die Materialdicke und der Plasmaschneidbrennerabstand in Datenbanken abgelegt sind, um eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit des Schnittergebnisses zu erreichen, üblich.

So wird in der DE 195 36 150 eine Einrichtung und ein Verfahren zur Gassteuerung eines Plasmabrenners beschrieben, bei denen die Gasströmung durch eine Anordnung bestehend aus einem Proportionalventil, einem Drucksensor und einer Blende im Plasmabrenner eingestellt wird. Dieses und alle anderen Verfahren, bei denen die Gasdosierung über die Stellung oder Regelung des Druckes des Gases bzw. Mischgases erfolgt, weisen jedoch die Nachteile auf, daß sich damit unbefriedigende Produktqualitäten, eine unbefriedigende Reproduzierbarkeit der Arbeitsergebnisse und eine unbefriedigende Prozeßsicherheit erzielen lassen.

Der Volumenstrom der Gase spielt für die Produktqualität, die Reproduzierbarkeit von Arbeitsergebnissen und die Prozeßsicherheit eine wesentliche Rolle und es kann durch Kon-

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stanthaltung des Druckes der Gase keine Konstanz des Volumenstromes realisiert werden. Dies gilt insbesondere fur kleine Volumenströme und große Volumenstromdifferenzen bei Gasgemischen. Die Stellung bzw. auch die Regelung des Druckes ist fur die Konstanthaltung des Volumenstromes während aller Betriebszustände eines Plasmabrenners nicht ausreichend. Es treten im Innenraum des Plasmabrenners in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand, wie Prozeßstart, Pilotlichtbogen, Hauptlichtbogen und Prozeßende unterschiedliche Innendrücke auf. Diese werden durch die veränderlichen Lichtbogenströme, die einen unterschiedlichen Durchmesser des Plasmastrahls hervorrufen, erzeugt. So betragen die Ströme beim Pilotlichtbogen beispielsweise 10-25 A und beim Hauptlichtbogen 20 - 1.000 A. Auch innerhalb eines Betriebszustandes treten unterschiedliche Innendrücke auf, z. B. durch Richtungswechsel des Plasmabrenners, veränderliche Arbeitsgeschwindigkeiten und unterschiedliche Hauptlichtbogenströme, die für unterschiedliche Werkstückkonturen benötigt werden. Weiterhin beeinflußt die Geometrie der Plasmabrennerdüsenbohrung, ihre Toleranzen, ihr Verschleißzustand und auch der Abstand der Plasmabrennerdüse zum Werkstück den Innendruck erheblich. Diese Schwankungen des Drucks im Innenraum des Plasmabrenners verändern den tatsächlichen Volumenstrom des Plasmagases und damit die Schnittqualität.

Weiterhin wird der Volumenstrom des Plasmagases durch die in Gaszuführungsschläuchen auftretenden Druckabfälle beeinflußt. Diese Druckabfälle werden durch den Rohrinnenwiderstand, der durch die Länge, die Oberflächenqualität und den Querschnitt der Gaszuführungsschläuche bestimmt wird, erzeugt. Dieser Rohrinnenwiderstand kann sich durch die Walkbewegung der Gaszuführungsschläuche auf einem den Plasmabrenner führenden System, z. B. xy-Koordinaten-Führungsmaschine oder Roboter, verändern.

Außerdem besteht eine wichtige Anwendung in dem Einsatz eines Plasmabrenners in Sonderumgebungen, wie z. B. unter Wasser, in unterschiedlichen und größeren Tiefen, bei prozeßbedingtem Druckanstieg in geschlossenen Behältern und höheren Umgebungsdrücken, z. B. Schutzgasatmosphäre in Behältern. Hier verändert sich der Volumenstrom der Gase durch die Veränderung der von außen auf den Plasmabrenner wirkenden Drücke. Ein Beispiel ist der

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Verfahrenseinsatz beim Rückbau kerntechnischer Anlagen, wo Plasmaschneidbrenner in Wassertiefen von 0,5 bis 15 Metern eingesetzt werden. Dies bedeutet einen Druckanstieg von 0,05 bis 1,5 bar. Beim Einsatz im Offshore-Bereich können noch wesentlich größere Gegendrücke auftreten.

Noch kritischer ist die Gasdosierung bei der Erzeugung von Gasgemischen, da hier sowohl die Druckverhältnisse im Plasmabrenner als auch die Druckdifferenzen zwischen den Einzelgasen eine wesentliche Rolle spielen.

Dementsprechend offenbart die US-6,248,972 Bl eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Mit dem daraus bekannten Verfahren wird die Gefahr verringert ,daß durch Fehler im Gasversorgungssystem, z. B. Verstopfen oder Abknicken von Gaszuführungsschläuchen, zu wenig oder gar kein Gas in den Plasmabrenner gelangt. Dadurch wird das Risiko einer Beschädigung des Plasmabrenners verringert.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Anordnung in ein Qualitätssicherungssystem einzubinden.

Da in der US-6,248,972 Bl zur Volumenstromregelung Stellventile verwendet werden, ist die Volumenstromregelung nicht ausreichend präzise, so daß das Verfahren mangels gut reprodzuzierbarer Ergebnisse nicht automatisierbar ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Anordnung derart weiterzubilden, daß eine präzisere Volumenstromregelung möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der gattungsgemäßen Anordnung dadurch gelöst, daß sie mindestens eine Volumenstromregeleinrichtung auf der Basis der Messung des Volumenstromes aus dem Differenzdruck über eine Meßblende umfaßt.

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Weiterhin wird diese Aufgabe bei der gattungsgemäßen Anordnung dadurch gelöst, daß mindestens eine Volumenstromregeleinrichtung eine kalorimetrische Volumenstromregeleinrichtung ist.

Ferner liefert die vorliegende Erfindung ein Magnetventil, das derart gestaltet ist, daß es im ausgeschalteten Zustand in beiden Richtungen sicher sperrt und im eingeschalteten Zustand sicher öffnet.

Die Unteransprüche 3 bis 5 treffen vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnungen.

Schließlich kann bei dem Magnetventil vorgesehen sein, daß es einen Ventilstößel und eine Feder mit einer Federkraft umfaßt, die so groß ist, daß der Ventilstößel im ausgeschalteten Zustand des Magnetventils trotz eines unter Umständen in Gegenrichtung wirkenden Gasdruckes schließt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und anhand der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der schematischen Zeichnung (Figur 1) im einzelnen erläutert ist.

Figur 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Versorgung eines Plasmaschneidbrenners mit ein Plasmagasgemisch umfassendem Gas gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Da mit dem Plasmaschneidbrenner, von dem nur eine Elektrode 12, eine Plasmaschneidbrennerdüse 14 und eine Sekundärgasdüse 16 gezeigt sind, legierte Stähle und Nichteisenmetalle geschnitten werden sollen, ist eine Einrichtung 18 zur Zuführung eines Plasmagasgemisches vorgesehen, die für jedes Einzelgas, nämlich Argon (Ar), Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂), des Plasmagasgemisches (Argon/Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch) eine Einzelgasquelle aufweist, die über eine jeweilige Schlauchleitung 6a, 6b und 6c mit einer Plasmagasmischeinrichtung 4 verbunden ist, die ebenfalls Bestandteil der Einrichtung 18 zur

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Zuführung eines Plasmagasgemisches ist. Die Plasmagasmischeinrichtung 4 steht über einen Plasmagasgemischschlauch 7 mit der Plasmaschneidbrennerdüse 14 in Verbindung.

Weiterhin ist eine Einrichtung 20 zur Zuführung eines Sekundärgasgemisches vorgesehen. Diese umfaßt Quellen für die Einzelgase, das heißt in diesem Fall N2 und H2, des Sekundärgases, die über jeweilige Schlauchleitungen 8a und 8b mit einer Sekundärgasmischeinrichtung 5 in Verbindung stehen, die ebenfalls Bestandteil der Einrichtung 20 zur Zuführung eines Sekundärgasgemisches ist. Die Sekundärgasmischeinrichtung 5 steht über einen Sekundärgasgemischschlauch 9 mit der Sekundärgasdüse 16 in Verbindung.

hi jeder Schlauchleitung 6a, 6b und 6c sowie 8a und 8b sind jeweils ein Druckschalter 2a, 2b, 2c, 2d bzw. 2e und ein Volumenstromregler la, Ib, Ic, Id bzw. Ie und ein Magnetventil 3a, 3b, 3c, 3d bzw. 3e in Reihe hintereinander vorgesehen.

Besonders für das optimale Plasmaschneiden legierter Stähle und mit unterschiedlichen Legierungsbestandteilen und bei unterschiedlichen Materialdicken sind unterschiedliche Plasmagasgemische mit unterschiedlichsten Konzentrationen notwendig. Mit den von der Gasindustrie angebotenen Mischgasen kann nicht jedes Werkstückmaterial gut geschnitten werden. Üblich sind Mischgase, wie z. B. 65 % Argon mit 35 % Wasserstoff, 80 % Argon mit 20 % Wasserstoff oder 90 % Stickstoff mit 10 % Wasserstoff. Für das optimale Plasmaschneiden der unterschiedlichen hochlegierten Werkstücke werden jedoch oftmals völlig andere Konzentrationen benötigt. Mit den bekannten Verfahren der Druckregelung sind dem Mischungsverhältnis der Einzelgase im Gasgemisch enge Grenzen gesetzt. Weiterhin kann nicht überprüft werden, mit welchem Anteil das Einzelgas im Gasgemisch enthalten ist.

Praktisch wird z. B. ein 3 mm dickes AlMg3-Blech mit einem Ar-H2-Plasmagasgemisch aus 30% Argon und 70% Wasserstoff und ein 3 mm dickes Blech aus legiertem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301 mit einem Ar/H₂/N2-Plasmagasgemisch aus 40% Argon, 10% Wasserstoff und 50% Stickstoff geschnitten.

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Die reproduzierbare Erzeugung von Gasgemischen aus mehr als zwei Einzelgasen ist ohne eine spezielle Regelung kaum möglich. Noch komplizierter wird dies bei den verfahrensbedingt auftretenden Schwankungen des Gegendrucks im Innenraum des Plasmaschneidbrenners.

hi der hierin beschriebenen besonderen Ausführungsform arbeiten die Volumenstromregler la bis Ie auf kalorimetrischer Basis. Die Volumenströme der Einzelgase können in einem großen Stellbereich geregelt werden. Aufgrund der kalorimetrischen Messung sind Stellbereiche von 1:50, das heißt z. B. Volumenströme im Bereich von 10 l/h bis 500 l/h möglich. Bei Verwendung einer Meßblende liegt der Stellbereich in der Größenordnung von 1:10.

Die Druckschalter 2a bis 2e dienen zur Überwachung des Vorhandenseins des zur Vermeidung einer Beschädigung der Verschleißteile (Elektrode und Plamaschneidbrennerdüse) benötigten Gasdrucks. Die einzelnen Volumenstromsollwerte wi bis W5 werden entsprechend den ermittelten Parametern dem jeweiligen Volumenstromregler la bis Ie übermittelt. Zu Prozeßbeginn werden die Stellglieder (nicht gezeigt) der Volumenstromregler la bis Ie entsprechend den Volumenstromsollwerten wi bis W5 und die Magnetventile 3a bis 3e geöffnet und wird der entsprechende Volumenstrom der Einzelgase und damit des jeweiligen Plasma- und Sekundärgasgemisches eingestellt. Der Schneidvorgang wird durch die Zündung des Pilotlichtbogens eingeleitet und der Hauptlichtbogen wird unmittelbar danach erregt. Die Erhöhung des im Innenraum des Plasmaschneidbrenners entstehenden Gegendrucks wirkt sich durch die Volumenstromregelung nicht auf die strömende Gasmenge und die Zusammensetzung des Plasma- und Sekundärgasgemisches aus.

Die Magnetventile 3a bis 3e sind im Gegensatz zu üblichen Magnetventilen so beschaffen, daß sie im ausgeschalteten Zustand in beide Richtungen sicher sperren und im eingeschalteten Zustand sicher öffhen. Jedes Magnetventil 3 a bis 3 e umfaßt einen Ventilstößel und eine Feder mit einer Federkraft, die so groß ist, daß der Ventilstößel im ausgeschalteten Zustand des Magnetventils trotz eines unter Umständen in Gegenrichtung wirkenden Gasdruckes schließt.

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Wird/werden ein oder mehrere Einzelgas(e) für das Plasma- oder Sekundärgasgemisch nicht benötigt oder wird nur mit einem Einzelgas gearbeitet, darf dieses Gasgemisch oder Einzelgas nicht in die Gasversorgung der bzw. des momentan nicht verwendeten Einzelgase bzw. Einzelgases unkontrolliert eindringen oder aber im Falle eines nicht angeschlossenen Einzelgases nicht ins Freie abströmen. Dann käme es nämlich zu Schwankungen im Plasmagasgemisch oder zu unkontrollierter Vermischung des nicht verwendeten, aber angeschlossenen Einzelgases mit dem Gasgemisch.

Die einstellbaren Volumenströme und Gasgemische werden in einem Bedienfeld durch Software auf sinnvolle und sichere Werte begrenzt. Mit dieser Anordnung ist selbstverständlich auch die Regelung von Einzelgasen, sowohl von oxidierenden, wie z. B. Luft, Sauerstoff, und nicht oxidierenden, wie Argon, Wasserstoff, Stickstoff sowie deren Gemische möglich. Es besteht die Möglichkeit, mit einem Plasmaschneidbrenner mit Luft und Sauerstoff unlegierten Stahl und mit einem Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisch legierte Stähle zu schneiden.

Die Anordnung ist prinzipiell auch für andere Plasmatechnologien, wie beispielsweise Plasmaschweißen, Plasmafugen, Plasmamarkieren, geeignet.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbaren Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (7)

1. Anordnung (10) zur Versorgung eines Plasmabrenners mit ein Plasmagas oder Plasmamischgas oder Plasmagasgemisch umfassendem Gas, mit einer Einrichtung zur Zuführung eines Plasmagases oder Plasmamischgases oder Plasmagasgemisches (18) zu einem Plasmabrenner, wobei eine Volumenstromregeleinrichtung zur Regelung des Volumenstromes des Plasmagases bzw. Plasmamischgases bzw. Plasmagasgemisches vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Volumenstromregeleinrichtung auf der Basis der Messung des Volumenstromes aus dem Differenzdruck über eine Meßblende umfaßt.

2. Anordnung (10) zur Versorgung eines Plasmabrenners mit ein Plasmagas oder Plasmamischgas oder Plasmagasgemisch umfassendem Gas, mit einer Einrichtung zur Zuführung eines Plasmagases oder Plasmamischgases oder Plasmagasgemisches (18) zu einem Plasmabrenner, wobei eine Volumenstromregeleinrichtung zur Regelung des Volumenstromes des Plasmagases bzw. Plasmamischgases bzw. Plasmagasgemisches vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Volumenstromregeleinrichtung eine kalorimetrische Volumenstromregeleinrichtung ist.

3. Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenstromregeleinrichtung zur Regelung des Volumenstromes des Plasmagasgemisches eine Volumenstromregeleinrichtung für jedes Einzelgas des Plasmagasgemisches umfaßt.

4. Anordnung (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Zuführung eines zusätzlichen Sekundärgases oder Sekundärmischgases oder Sekundärgasgemisches (20) zum Plasmabrenner und eine Volumenstromregeleinrichtung zur Regelung des Volumenstromes des zusätzlichen Sekundärgases bzw. Sekundärmischgases bzw. Sekundärgasgemisches vorgesehen sind.

5. Anordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenstromregeleinrichtung zur Regelung des Volumenstromes des Sekundärgasgemisches eine Volumenstromregeleinrichtung für jedes Einzelgas des Sekundärgasgemisches umfaßt.

6. Magnetventil (3a, 3b, 3c, 3d, 3e), dadurch gekennzeichnet, daß es derart gestaltet ist, daß es im ausgeschalteten Zustand in beiden Richtungen sicher sperrt und im eingeschalteten Zustand sicher öffnet.

7. Magnetventil (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Ventilstößel und eine Feder mit einer Federkraft umfaßt, die so groß ist, daß der Ventilstößel im ausgeschalteten Zustand des Magnetventils (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) trotz eines unter Umständen in Gegenrichtung wirkenden Gasdruckes schließt.