DE2025368C3

DE2025368C3 - Elektrischer Lichtbogenbrenner

Info

Publication number: DE2025368C3
Application number: DE2025368A
Authority: DE
Inventors: Henry J. Claremont Betourney; Bruce O. Lebanon Hatch
Original assignee: Thermal Dynamics Corp
Current assignee: Victor Equipment Co
Priority date: 1969-05-29
Filing date: 1970-05-25
Publication date: 1980-04-24
Also published as: GB1272544A; DE2025368A1; AU439468B2; DE2025368B2; AU1950470A; US3562486A; FR2048968A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen I.ichtbogenbrenncr mit einem Brennergehäuse, in tlcm eine langgestreckte Elektrode angeordnet und von einem hülsenartigen Halter getragen ist, mit einer Düse, die einen Lichtbogendurchgang hat, der im Abstand von der Elektrode liegt, und mit einer Energiecinrichtung, um eine Lichtbogensäule von der Spitze der F^:.lektrode durch den Durchgang hindurch hervor

zurufen und aufrechtzuerhalten.

Bei einem bekannten Lichtbogenbrenner der genannten Art (DE-AS 1 261 969) weist der hülsenartige Halter für die Elektrode ein Schlitzrohr auf, welches außen von einer Muffe konzentrisch umgeben ist, die ihrerseits an einigen Ansätzen oder Lagerflächen des Gehäuses gehalten ist. Der Gasdurchgang ist zwischen der Außenfläche des Schlitzrohres und der Innenfläche der Muffe gebildet. Die Elektrode befindet sich ihrerseits in vergleichsweise großem Abstand von der Innenwand des Schlitzrohres, weil der Innendurchmesser des Schlitzrohres beträchtlich größer als der Außendurchmesser der Elektrode ist. Die Elektrode ist dabei nur an zwei Stellen gehalten, nämlich nahe ihrem Hinterende in einer Kappe und im vorderen Bereich in einer eine Lagerkugel aufweisenden Spannzange. Der bekannte Lichtbogenbrenner ist somit hinsichtlich der Halterung der Elektrode vergleichsweise kompliziert und weist viele Bauteile auf, wobei beispielsweise das Brennergehäuse innen mit Vorsprüngen und Vertiefungen gebildet sein muß. Außerdem kann ein Abstützen der Elektrode lediglich an zwei Stellen entlang ihrer Länge ungünstig sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Ausführung eines elektrischen Lichtbogenbrenners der einleitend genannten Art zu vereinfachen und gleichzeitig die Halterung der Elektrode zu verbessern. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der Elektrodenhalter eine aus dielektrischem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildete Hülse ist, die sich über einen beträchtlichen Teil ihrer Länge und über einen beträchtlichen Teil der Länge der Elektrode in Gleiteingriff mit dieser und mit dem Gehäuse befindet, und die eine Mehrzahl von Gaslcitungskanälen aufweist, die such durch einen beträchtlichen Teil ihrer Länge erstrecken und mit dem Durchgang in Verbindung stehen.

Die Elektrodenhalterung gemäß der Erfindung weist mit der Hülse lediglich eine > einzigen Bauteil auf, der nach entsprechender Dimensionierung auf einer sehr großen glatten Fläche acn Brennergehäuse abgestützt ist und seinerseits auf einer sehr großen glatten Fläche die Elektrode abstützt. Auf diese Weise sind sehr große Anordnungsgenauigkeit und sicheres Halten der Elektrode bequem erhalten. In der Hülse sind Kanäle gebildet, durch welche das Schutzgas strömt. Durch die Gasströmung wird zufolge der Tatsache, daß die Hülse aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeh besteht, gute Kühlung der Elektrode erhalten. Da außerdem die Innenfläche des Brennergehäuses sowie die Innenfläche und die Außenfläche der Hülse glatte Flächen sind, können das Brennergehäuse und die Hülse bequem und billig hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es für eine Kühlung mit Wasser lediglich erforderlich ist, Durchgänge allein im Brennergehäusc zu bilden. Dies bedeutet, daß bei der Gestaltung der Hülse auf die Wasserkühlung keine Rücksicht genommen zu werden braucht, was im Gegensatz zu dem bekannten Lichtbogenbrenner steht.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. I ist eine Querschnittsansicht eines Brenners gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Ansicht einer abgewandelten Düse für Arbeiten mit umgekehrter Polarität;

Fig. 3 ist eine Einzelansicht der [ilcktmdc und einer Haltehülse;

Fig. 4 ist eine Teilansicht einer möglichen Abwandlung der Haltehülse.

Gemäß Fig. I bildet ein äußeres Gehäuse 5 den Körper des Brenners. Auf der Achse des Gehäuses 5 liegt eine Kathodenelektrode 6, die vorzugsweise eine langgestreckte zylindrische Stange aus hitzebeständigem Material wie Wolfram ist. Das Düsenende der Elektrode 6 ist gemäß der Darstellung verjüngt und im Betrieb werden Elektronen an der Spitze 7 thermionisch emittiert.

Die Elektrode 6 ist in einer Hülse 8 aufgenommen, welche die Elektrode 6 umgibt und sicher in ihrer axialen Stellung hält. Die Hülse 8 ist aus dielektrischem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet. Die Hülse 8 bestimmt zusammen mit der Anode 9 eine Kammer 10 und eine Düse 11. Die Hülse 8 schafft die elektrische Isolierung der Elektrode 6 und eine Leitungseinrichtung, um der Kammer 10 plasmabildendes, den Lichtbogen stabilisierendes Gas zuzuführen. Das Gas wird, wie durch den Pfeil dargestellt, in einen Hohlraum 12 eingeführt und dann entlang eines beträchtlichen Teiles der Länge der Elektrode 6 durch Rinnen 13 geführt, die an der Außenfläche der Hülse 8 gebildet sind. Diese Rinnen 13 können parallel zur Brenncrachse verlaufen, oder sie können schraubenlinienförmig verlaufen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Gasströmung trägt zur Kühlung des Brenners bei. Die Hülse 8, die wärmeleitend ist, kühlt die Elektrode 6, da sie ihrerseits von dem Strom von Gasen gemäß vorstehender Beschreibung gekühlt wird. Es können auch Wassermäntel in dem Brennergehäuse 5 vorgesehen sein. Zwecks Klarheit sind sie fortgelassen, jedoch ist ihre Verwendung in der Technik bekannt.

Eine Mehrzahl von Löchern 14 ist in der Hülse 8 gebohrt und sie verbinden eine Kammer 15 mit der Kammer 10. Diese Löcher 14 können gemäß der Darstellung zur Achse des Brenners schräg verlaufen und sie können in einem Verbundwinkel oder Compoundwinkel liegen, um eine Wirbelströmung in die Kammer 10 hinein zu schaffen, wenn es gewünscht wird, und zwar in dem gleichen Sinn wie die schraubenlinienförmigen Rinnen 13 gemäß Fig. 3.

Beim Arbeiten wird der Lichtbogen zwischen der Spitze 7 der Elektrode 6 und der Anode 9 gezogen. Dieser Lichtbogen ist ein Führungs- bzw. Hilfslichtbogen, der durch einen Begrenzungswiderstand 16 auf niedrigem Strompegel gehalten ist. Er ist von einer Energiezufuhr 17 getragen, und der Stromkreis wird zu der Elektrode 6 über eine Endkappe 18 vervollständigt, die von dem übrigen Teil des Brenners elektrisch isoliert ist. Die Elektrode 6 ist in der Kappe

18 durch eine Sicheriingsschraube 19 gehalten. Die Stellung der Spitze 7 in der Kammer 10 kann von Zeit zu Zeit eingestellt werden, um irgendwelche Erosion an der Spitze auszugleichen. Die Elektrode 6 kann auch neu angeschärft werden, wenn es gelegentlich erforderlich ist, und in die richtige Stellung in der Kammer 10 neu eingestellt werden. Diese Stellung kann leicht gefunden werden durch Einsetzen einer Stellungslehre in die Düse II, gegen welche die .Spitze 7 gebracht wird, bevor die Sicherungsschraube

19 angezogen wird.

Wenn der Führungs- bzw. Hilfslichtbogen hervorgerufen ist, tritt ein ionisierter Gasstrom (das Gas kann Argon sein) aus dci Düse 11 aus. Der Lichtbogen kann dann direkt zu einem Werkstück 20 überführt werdesi und er arbeitet danach als Hauptarbeitslichtbogen mit viel höheren Energiepegeln, um das Werkstück zu schneiden, zu schweißen, oder zu überziehen oder auf andere Weise zu behandeln.

An dieser Stelle ist zu bemerken, daß das Arbeitsende des Brenners mit einer elektrisch neutralen Abschirmung versehen sein kann, wie es in der USA-Patentschrift 3 204075 beschrieben ist. Zusätzlich können, wie dort beschrieben, Sekundärabschirmungsgase verwendet werden, um die Lichtbogensäule zu umgeben.

Gewöhnlich arbeitet die Elektrode 6 als Kathode und der Lichtbogen wird durch plasmabildende Gase abgestützt oder unterstützt, die von einer durch den Handgriff des Brenners laufenden Gasleitung durch die Rinnen 13 unter Druck eingeführt werden. Wenn der Brenner mit umgekehrter Polarität betrieben werden soll, wird die Gestaltung gemäß Fig. 2 bevorzugt, bei der die Kammer 10 etwas abgerundet ist und eine Elektrode 6 mit viel stumpferem i_;ide verwendet wird. Diese Änderung wird empfohlen, v»^iI, wenn die Elektrode als Anode wirkt (wobei das Werkstück die Kathode ist) zusätzliches Material an der Spitzs erwünscht ist, um die zusätzliche Wärme aufzunehmen, die durc.r Elektronenkondensation entwickelt wird.

Es ist von außerordentlicher Bedeutung, daß die Elektrode in der Kammer 10 und mit Bezug auf die Achse der Düse 11 sehr genau zentriert ist. Dies ist wichtig, weil selbst dit geringste Abweichung bewirkt, daß der Lichtbogen die der Elektrode 6 zunächst liegende Seite der Kammer und der Düse bevorzugt. Dies führt zu der als »Doppellichtbogenbildung« bekannten Erscheinung, was bedeutet, daß der Elektronenstrom in die Düsenwand läuft und ein zweiter Lichtbogen sich von selbst von der Fläche der Anode 9 zu dem Werkstück bildet.

Es ist selbstverständlich wesentlich, daß nur ein Lichtbogen gebildet wird und daß dieser Lichtbogen auf der Achse der Düse stabilisiert bleibt. Hierfür wird die Hülse 8 verwendet. Die Hülse 8 erstreckt sich über einen beträchtlichen Teil der Länge der aus Wolfram bestehenden Stangenelektrode 6 mit sehr geringem Überhang der Elektrode 6 über das Ende der Hülse 8. Die Hülse 8 muß ein elektrischer Isolator sein und muß dennoch in der Lage sein, die entwickelte Wärme von der Elektrode weg und in den wassergekühlten Körper 5 des Brenners zu leiten. Bornitrid ist das ideale Material für diesen Zweck. Es ist mechanisch fest, um die Elektrode 6 in der genauen gewünschten axialen Stellung zu halten, und es ist wärmeleitend und elektrisch isolierend. Diese beiden zuletzt genannten Eigenschaften werden üblicherweise nicht gemei.is&m angetroffen.

Zusätzlich unterstützt der Gasstrom entlang der Hülse 8 (durch die Rinnen 13) den Transport von Wärme vom Arbeitsende der Elektrode 6 weg. In Fig. 3 ist die Hülse 8 im einzelnen mit einer glatten Bohrung dargestellt, um eine große Berührungsfläche mit der zylindrischen Fläche der Wolframelektrode 6 zu schaffen.

Bei niedrigen Energiepegeln, beispielsweise wenn kleine und empfindliche Teile geschweißt werden, ist es möglich, eine Hülse 8 zu verwenden, die aus Lava oder Basalt oder aus einer Keramik gebildet ist. Diese Substanzen leiten Wärme nicht so gut wie das vorgenannte Bornitrid, jedoch kann eine solche Hülse die dreifache Funktion der mechanischen Orientierung,

der elektrischen Isolierung und der K;inalführung der plnsmahildenclcn Gase ausühen. Die Ausführung gemäß Fig. 4 ist in solchen Fällen besonders wirksam, wo die Gase in inneren entweder axialen oder sehrauhcnlinienförmigen Nuten, wie dargestellt, strömen. Hier befinden sich die Gase in direkter Berührung mit der Elektrode 6 über einen beträchtlichen I eil vrr deren Länge und sie werden so geführt, daß sie in intensiven Strömen direkt entlang der Elektrodenfläche strömen. In dem beträchtlichen Ausmaß, in dem diese Gase Wärme aus der Elektrode 6 abziehen, werden sie um eine gewisse Strecke oder einen izewissen Abstand in Richtung gegen den Plasmazii-tand vorerhitzt. Gleichzeitig ordnen die Stege an der Innenfläche die Elektrode sicher in der gewünschten mittleren Stellung an.

Das Wesen der Erfindung liegt in der Schaffung einer neuen Elektrode, die durch eine llaltehülse gekühlt und zentriert ist. wobei die Hülse weiterhin als l'lasmagasvcrteilerleitung und als elektrisch isolierendes Element zwischen der Elektrode und dem Brennergehäuse wirkt.

Dieser Dreifachfunktion kann eine vierte Funktion -die Wärmeleitfähigkeit - hinzugefügt werden, indem eine Substanz wie Hornitrid für die Hülse verwendet wird. Es ist nunmehr möglich, eine stangcnförmige Wolframclektrode zu montieren, die einen Durchmesser von nur ft.35 mm (0,25(1") hat und bis zu einer Stelle, die f\35 mm (0.250") von ihrer Spitze entfernt ist. gehalten wird. Es ist möglich, mit einer Elektrode solch kleiner Abmessungen (wenn sie als Kathode he nutzt wird) 700 Ampere bei 120VoIt zu liefern füi kontinuierliches Arbeiten ohne Verbrauch, wenn geschnitten wird, und 400 Ampere bei 20 Voll kontinuierlich zu liefern, wenn ein Werkstück geschweißi wird. Solche Energiepegel konnten bisher nicht.mil Elektroden erzielt werden, die klein genug für komplizierte Schweiß- oder Schneidvorgange sind Die hier beschriebene Ausführung hat dies möglich gemacht. Es werden vier w. .entliche Funktionen vor einem einzigen einfachen Element ausgeübt: a) genaues mechanisches /.entrieren der Elektrode, b! elektrische Isolierung der Elektrode, e) Kühlen dei Elektrode durch Schaffen eines Weges für Wärmeflul¹ über eine beträchtliche I iektrodenfläche und d) Ka rollführung von plasmabildendem Gas entlang dei Elektrode und in und durch die Brennerdüse I)K Funktion c) wird ausgeübt durch öliges Führen dei Gase über die Elcktrodenflache (wie gemäß Fig. I oder durch Gewährleisten von Berührung der glattei Bohrung mit engem Gleitsitz zwischen Elektrode um Hülse. In dem letzteren Fall wird die Wärmeleitfähigkeit der Hülse ein wichtiger Faktor und das Materia dei Hülse wird in Übereinstimmung damit ausgewählt, wie es oben erläutert ist. Die Wäimeausdeh nung eier Elektrode gewährt enge Berührung mit dei Bohrung der Hülse, um guten Wärmeübergang zu ge währleisten.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Lichtbogenbrenner mit einem Brennergehäusc, in dem eine langgestreckte Elektrode angeordnet und von einem hülsenartigen Halter getragen ist, mit einer Düse, die einen Lichtbogendurchgang hat, der im Abstand von der Elektrode liegt, und mit einer Energieeinrichtung, um eine Lichtbogensäule von der Spitze der Elektrode durch den Durchgang hindurch hervorzurufen und aufrechtzuerhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenhalter eine aus dielektrischem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildete Hülse (8) ist, die sich über einen beträchtlichenTeil ihrer Länge und über einen beträchtlichen Teil der Länge der Elektrode (6) in Gleiteingriff mit dieser und mit dem Gehäuse (5) befindet, und die eine Mehrzahl von Gasleitungskanälen (iJ) aufweist, die sich durch einen beträchtlichen Teil ihrer Länge erstrecken und mit dem Durchgang (11) in Verbindung stehen.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8) aus Bornitrid gebildet ist.

3. Brenner nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (13) entlang der Außenfläche der Hülse (8) und parallel zu deren Achse gebildet sind.

4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle entlang der Außenfläche der Hülse (8) gebildet sind und sich entlang ihrer Länge in einem schraubenlinienförmigcn Muster erstrecken.

5. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle an der Innenfläche der Hülse und parallel zu ihrer Achse gebildet sind.

6. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle entlang der Innenfläche der Hülse gebildet sind und sich in schraubenlinienförmigem Muster entlang der Hülse erstrecken.

7. Brenner nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus Lava oder Basalt gebildet ist.

H. Brenner nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus keramischem Material gebildet ist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode und die Hülse so gebildet sind, daß bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur des Brenners die Elektrode mit engem Gleitsitz in der Bohrung der Hülse angeordnet ist.