DE2130394B2

DE2130394B2 - Verfahren zum abtragen von metall von einem werkstueck

Info

Publication number: DE2130394B2
Application number: DE19712130394
Authority: DE
Inventors: John Anthony New York N.Y.; Gage Robert Mac Cornack Summit N.J.; Hogan (V.StA.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1970-06-19
Filing date: 1971-06-18
Publication date: 1976-04-01
Also published as: CA927740A; DE2130394A1; FR2099260A5; ES392393A1; AT316275B; CH528326A; JPS5431983B1; US3619549A; GB1326128A; NL7108433A; ZA712540B; JPS52752A; BE768745A; NL156567B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen und das die wärmebeeinflußte Zone besonders klein von Metall von einem Werkstück, bei dem ein Licht- hält.

bogen zwischen einer Elektrode und einem Werkstück as Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gegebildet, ein wirbelnder Gasstrom um den Lichtbogen löst, daß der Flüssigkeitsstrom und Gasstrom zu eiaer herum aufrechterhalten und ein wirbelnder Flüssig- Wirbelbewegung in gleicher Richtung veranlaßt und keitsstrom um den Gasstrom und den Lichtbogen Lichtbogen, Gasstrom und Flüssigkeitsstrom durch herumgeleitet wird und bei dem der Lichtbogen, der einen den Lichtbogen einschnürenden Kanal der Düse Gasstrom und der Flüssigkeitsstrom durch eine Düse 30 hindurchgeleitet werden.

hindurch gegen das Werkstück gerichtet werden. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird mit

Es ist bekannt (US-PS 28 06 124), einen Lichtbogen Hilfe des den Lichtbogen einschnürenden Düsenkanals zusammen mit einem Gas durch eine Düse hindurch- ein wandungsstabilisierter Lichtbogen ausgebildet, der zutreiben, deren Durchmesser ausreichend klein ist, auf Grund des wirbelnden Flüssigkeitsstromes eine um für eine Einschnürung des Lichtbogens (sogenannte 35 zusätzliche Einschnürung erfährt. Es findet also eine Wandungsstabilisierung) zu sorgen. Dabei wird ein Kombination von Wandungs-und Wirbelstabilisierung

statt. Wirbeln dabei in der angegebenen Weise Gas- und Flüssigkeitsstrom in gleicher Richtung, weiden die mit der bekannten Wandungsstabilisierung und der bekannten Wirbelstabilisierung erzielbaren Ergebnisse in überraschender Weise bei weitem übertroffen. Insbesondere werden in hohem Maße ebene und saubere Schnittflächen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten erhalten. Es kommt praktisch nicht zu der unerwünsch-

Richtung der Lichtbogenachse geführten Gasstrom 45 ten Ausbildung von wärmebeeinflußten Zonen. Das herum einen Flüssigkeitswirbel aufrechterhalten. Dabei Verfahren als solches ist einfach durchzuführen. Die

Ausbildung eines doppelten Lichtbogens beim Zünden wird sicher vei mieden, ohne daß es dazu einer komplizierten Taktsteuerung für die Zufuhr von Gas, Flüssigkeit und elektrischem Strom bedarf. Obwohl die Düsenwandung zur Einschnürung des Lichtbogens herangezogen wird, bleibt die Gefahr einer Zerstörung der Düse besonders klein, weil der Flüssigkeits- und der Gasstrom zusammen gegen Stromdurchgang ver-

herumgeleitet werden. Der Arbeitsgasstrom dient der 55 hältnismäßig widerstandsfähig sind, die Düse wirksam Einschnürung des Lichtbogens. Der Flüssigkeitsstrom kühlen und den Lichtbogen zusätzlich einschnüren, wird zur Kühlung der Düse herangezogen.

Sowohl bei den mit Wandungsstabilisierung als auch bei den mit Wirbelstabilisierung arbeitenden bekannten Verfahren läßt die Schnittgüte häufig zu wünschen übrig und ist die Schnittgeschwindigkeit, verhältnismäßig klein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
allgemein zum Abtragen von Metall von einem Werkstück geeignetes, einfach durchführbares Verfahren zu 65 die mit dem Verfahren nach der Erfindung in 6,4 mn schaffen, das selbst bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit dickem rostfreiem Stahl ausgeführt wurden, Schnitte mit nahezu vollkommen gerader Schnittfläche Fig. 3 a, 3 b und 3 c Fotografien von Schnitten ii

ersibt. bei dem im wesentlichen kein Gekrätz anfällt 12,7 mm dickem rostfreiem Stahl mit Hilfe bekannte

Plasmastrahl ausgebildet, der besonders zum Schneiden von Werkstücken aus Metallen geeignet ist, die sich mit der üblichen Brenngas-Sauerstoff-Flamme nur schwierig oder überhaupt nicht schneiden lassen.

Daneben ist es bekannt (US-PS 29 06 858 und DT-AS 10 90 795), mit einer Düsenbohrung zu arbeiten, deren Durchmesser größer als derjenige der Elektrode ist, und um den Lichtbogen sowie einen in

erfolgt die für die Ausbildung des Plasmas erforderliche Lichtbogeneinschnürung nicht mittels der Düsenwand, sondern durch den wirbelnden Flüssigkeitsstrom (sogenannte Wirbelstabilisierung).

Das mit Wirbelstabilisierung arbeitende Verfahren wurde auch bereits dahingehend weiter ausgebildet (DT-OS 19 40 040), daß ein Flüssigkeitsstrom und ein Arbeitsgasstrom in Wirbelform um den Lichtbogen

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeich nungen zeigen:

F i g. 1 a, Ib und 1 c Fotografien von Schnitten die in 6,4 mm dickem rostfreiem Stahl mit Hilfe vor bekannten, mit einem eingeschnürten Lichtboger arbeitenden Verfahren hergestellt wurden, F i g. 2 a, 2 b und 2 c Fotografien von Schnitten

Schneidverfahren unter Verwendung einer Düse mit einem einschnürenden Kanal von 3,2 mm Durchmesser,

F i g. 4 a, 4 b und 4 c Fotografien von Schnitten ähnlich den F i g. 3 a, 3 b und 3 c, mit der Ausnahme, daß eine Düse verwendet wurde, deren einschnürender Kanal einen Durchmesser von 4,0 mm hatte,

Fig. 5a, 5b und 5c Fotografien von Schnitten in 12,7 mm dickem rostfreiem Stahl unter Anwendung <jes Verfahrens nach der Erfindung mit einem einschnürenden Kanal von 4,0 mm Durchmesser,

Fig. 6a, 6b und 6c Fotografien von Schnitten, die mit Hilfe eines bekannten Verfahrens in 25,4 mm dickem rostfreiem Stahl ausgeführt wurden,

Fig. 7a, 7b und 7c Fotografien von Schnitten, die in 25,4 mm dickem rostfreiem Stahl mittels des Verfahrens nach der Erfindung ausgeführt wurden

F i g. 8 eine schematische Darstellung einer typischen Voirichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Schnitte mit unerwartet hoher Güte können verhältnismäßig einfach erhalten werden, wenn ein wirbelnder Gasstrom den Lichtbogen umgibt und gleichzeitig innerhalb eines den Lichtbogen einschnürenden Kanals ein wirbelnder Wasserstrom vorhanden ist wobei beide Wirbel die gleiche Richtung besitzen. Schnitte gleicher Güte lassen sich nicht erzielen, wenn ein Lichtbogen nur von wirbelndem Gas oder nur von wirbelnder Flüssigkeit umgeben ist. Beispielsweise lassen die in den Fi g. la, Ib und Ic sowie 2a, 2b und 2c veranschaulichten Fotografien erkennen, daß die Schnitte, die in 6,4 mm dickem rostfreiem Stahl mit einer Düse, die einen einschnürenden Kanal von 3 2 mm Durchmesser hatte, und mit wirbelndem oder kreisendem Gas ausgeführt wurden, an der Oberseite abgerundet waren (F i g. la), entlang der Schnittfläche ein dunkles Aussehen hatten (Fig. Ib) und an der Oberseite eine wärmebeeinflußte Zone besaßen (Pig. Ic). Mit dem Verfahren nach der Erfindung ausgeführte Schnitte hatten dagegen eine im wesentlichen gerade Schnittfläche (F ig. 2 a), eine saubere Schnittfläche (Fig. 2 b) sowie praktisch keine wärmebeeinflußte Zone (Fig. 2c). Ähnliche Vergleiche können an Hand der F i g. 3 bis 7 vorgenommen werden, die Schnitte zeigen, die in dickeren Werkstoffen unter ähnlichen Bedingungen ausgeführt wurden.

Wie aus den Fotografien hervorgeht, hatten Schnitte, die unter Verwendung des vorliegend erläuterten Verfahrens hergestellt wurden, eine auf der rechten Seite der Schnittfuge liegende sehr gute Schnittfläche, deren Abweichung gegenüber einer geraiien Schnittfläche innerhalb von 2° lag. Die Abweichung der linken Seite der Schnittfuge von einer geraden Schnittfläche lag innerhalb von 8°. Diese Asymmetrie ist darauf zurückzuführen, daß der sich im Uhrzeigeisinn drehende Wirbel aus Schneidgas und Flüssigkeit bewirkt, daß der Anodenfleck und damit die maximale Energiedichte auf der rechten Seite der Schnittfuge liegt. Diese Eigenschaft ist beim Formschneiden nicht von Nachteil, weil die Schnittfläche mit hoher Güte stets auf der gleichen Seite der Schnittfuge liegt.

In F i g. 8 ist der Lichtbogenbrenner mit / bezeichnet. Der Brenner ist an die eine Seite einer Stromquelle P angeschlossen. Die andere Seite der Stromquelle steht mit dem Werkstück in Verbindung. Der mir schematisch veranschaulichte Brenner weist eine nichtabschmelzende Elektrode 1 auf. Bei dieser Elektrode kann es sich beispielsweise um eine Wolframelektrode oder eine Elektrode aus thoriertem Wolfram handeln. Vorzugsweise besteht die Elektrode jedoch aus einem wassergekühlten Kupferhalter, der mit einem Wolframeinsaiz versehen ist. Bei dem Einsatzwerkstoff kann es sich, falls erwünscht, um Zirkonium oder einen anderen äquivalenten Werkstoff handeln. Die nichtabschmelzenöe Elektrode 1 ist mit dem Mittelkanal 7 der Du. e .V axial ausgerichtet. Die Düse /V ist mit tangential gerichteten Einspritzöffnungen 3 versehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind vier tangentiale Einspritzöffnungen vorhanden. Es kann jedoch eine beliebige Anzahl solcher Öffnungen benutzt werden. Vorzugsweise wird mit Wasser gearbeitet, obwohl auch andere Flüssigkeiten anwendbar sind. Bei der veranschaulichten Ausführungsform tritt das Wasser in den Brenner über die Einspritzöffnungen 3 ein und bildet in der Kammer 5 einen Wirbelstrom aus. Die Kammer 5 besitzt einen ringförmigen Auslaß 6 im Mittelkanal 7. Der wirbelnde Flüssigkeitsstrom verläßt die Kammer 5 und umgibt den Lichtbogen sowie den durch den Mittelkanal 7 hindurchlaufenden wirbelnden Gasstrom. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Kanal 7 einen Durchmesser von 4 mm und eine Halslänge von 9,5 mm. Je nach der Dicke des zu schneidenden Werkstoffes können jedoch auch Kanäle mit größerem oder kleinerem Durchmesser verwendet werden. Beispielsweise kann für Materialstärken über ungefähr 25 mm der Mittelkanal 7 vergrößert werden. Der Mittelkanal 7 sorgt für eine Einschnürung des Lichtbogens nach Art der bekannten Wandstabilisierung. Der Düsenkanal 7 ist jedoch groß genug (4 mm), um die Möglichkeit der Bildung eines doppelten Lichtbogens im Strombereich bis herauf zu ungefähr 400 A minimal zu halten. Wenn die Flüssigkeit in den Düsenkanal 7 eingespritzt wird, wird der Lichtbogen durch den aus der Kammer 5 austretenden wirbelnden Flüssigkeitsstrom weiter eingeschnürt. Dadurch wird die Funktion eines kleineren Düsenkanals erzielt, während gleichzeitig die Gefahr einer Zerstörung der Düse kleinstmöglich gehalten wird.

In der Tabelle sind Beispiele für das vorliegend erläuterte Verfahren zusammengestellt, die zu Schnitten von der in den Fotografien gezeigten Güte führen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird als Gas Stickstoff verwendet. Es versteht sich jedoch, daß die Gasart nicht kritisch ist, solange das Gas nur mit dem zu schneidenden Werkstoff kompatibel ist. Zur Ausbildung des einschnürenden Wirbels aus fluiden Medien wird vorzugsweise Wasser verwendet, da es die am einfachsten zur Verfügung stehende unc billigste Flüssigkeit ist. Fs kann aber auch mit anderer Flüssigkeiten gearbeitet werden. Wasser wird vorzugsweise benutzt, weil, wie aus den Fotografien ersichtlicr ist, mit Wasser ausgeführte Schnitte praktisch keim wärmebeeinflußte Zone besitzen und bei den meister Werkstoffen nur wenig oder überhaupt kein Gekrät; entsteht. Wasser hält außerdem eine durch übermäßig! Wärme verursachte Oberflächenverfärbung, wie si< normalerweise durch den Lichtbogen bewirkt wird minimal. Weiterhin bewirkt das Wasser nicht nur ein Einschnürung des Lichtbogens. Der Lichtbogensäul 65 werden vielmehr aus dem Wasser gasförmiger Wasser stoff und Stickstoff zugeführt, wodurch die bekannte: Vorteile dieser Gase für das Schneiden ausgenut2 werden können.

Schneidbedingungen

Werkstoff

Dicke Schneidgas

(mm)

Schneid- Wasser- Lichtbogen- Düse

geschw. durchfl.- strom (A)

Menge Gleichstrom

(m/min) (l/min) Elektr. neg.

Aluminium

Kohlenstoffstähle
und rostfreie Stähle

6,4 N₂; 4,8 m³/h 4,1

12,7 N₂; 4,8 m³/h 3,2

25,4 N₂; 4,8 m³/h 2,0

6,4 N₂; 4,8 m³/h 3,2

12,7 N₂; 4,8 m³/h 2,5

25,4 N₂; 4,8 m³/h 1,3

1,5 275 einschnürender Kanal

mit

4,0 mm Durchmesser und 9,5 mm Halslänge

1,5 300 einschnürender Kanal

mit

4,0 mm Durchmesser und 9,5 mm Halslänge

1,5 400 einschnürender Kanal

mit

4,0 mm Durchmesser und 9,5 mm Halslänge

1,5 275 einschnürender Kanal

mit

4,0 mm Durchmesser und 9,5 mm Halslänge

1,5 300 einschnürender Kanal

mit

4,0 mm Durchmesser und 9.5 mm Halslänge

1,5 400 einschnürender Kanal

mit

4,0 mm Durchmesser und 9,5 mm Halslänge

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abtragen von Metall von einem Werkstück, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer Elektrode und einem Werkstück gebildet, ein wirbelnder Gasstrom um den Lichtbogen herum aufrechteihalten und ein wirbelnder Flüssigkeitsstrom um den Gasstrom und den Lichtbogen herumgeleitet wird und bei dem der Lichtbogen, der Gasstrom und der Flüssigkeitsstrom durch eine Düse hindurch gegen das Werkstück gerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom und Gasstrom zu einer

Wirbelbewegung in gleicher Richtung veranlaßt und Lichtbogen, Gasstrom und Flüssigkeitsstrom durch einen den Lichtbogen einschnürenden Kaaal der Düse hindurchgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wirbelnde Flüssigkeitsstrom in den den Lichtbogen einschnürenden Kanal der Düse eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit Wasser verwendet wird.