DE2429924B2 - Plasmabrenner zur Bearbeitung elektrisch leitfähiger Werkstücke und Verfahren zu seinem Betrieb - Google Patents

Plasmabrenner zur Bearbeitung elektrisch leitfähiger Werkstücke und Verfahren zu seinem Betrieb

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmabrenner zur Bearbeitung elektrisch leitfähiger Werkstücke mit einer gasgekühlten, nicht abschmelzenden, aus einem Einsatz und einem Halter bestehenden Elektrode, die im Betrieb mit dem Minuspol der Gleichstrom-Speisequelle verbunden ist, während das Werkstück mit dem Pluspol verbunden ist, mit einem die Elektrode *>5 umgebenden Isolator, mit einer gasgekühlten Düse, die gleichachsig mit der Elektrode und dem Isolator in der Weise angeordnet ist, daß die Elektrode, der Isolator und die Düse zusammen eine Kammer bilden, die mit der Umgebung durch die Hauptöffnung der Düse sowie durch mindestens einen Hilfskanal verbunden ist.
Ein solcher Plasmabrenner ist aus der US-PS 33 66 772 bekannt.
Dieser bekannte Plasmabrenner gewährleistet bei einem Verbrauch an Luft als plasmabildendes Gas von 5,6 bis 11,3 m3/h ein qualitätsgerechtes Brennschneiden von Stahlblech. Jedoch ist eine intensive Wasserkühlung wenigstens der Elektrode erforderlich. Aus den aufgeführten Betriebsdaten (Lichtbogenstrom = 275 A und gesamter Luftverbrauch 7,1 m3/h) ist ersichtlich, daß auch die Düse zur Vermeidung frühzeitiger Zerstörung einer intensiven Wasserkühlung bedarf.
Im Zusammenhang mit der Wasserkühlung kann der bekannte Plasmabrenner nicht tragbar und nicht leicht und bequem hantierbar sein. Außerdem schließt die Notwendigkeit der Wasserkühlung den Einsatz des bekannten Plasmabrenners in der Praxis bei Umgebungstemperaturen unterhalb 00C oder in Gegenden mit Wassermangel aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen tragbaren und leicht handhabbaren Plasmabrenner zur Bearbeitung elektrisch leitfähiger Werkstücke sowie ein Betriebsverfahren für diesen zu entwickeln, wobei als plasmabildendes und kühlendes Gas ein Gas gleicher chemischer Zusammensetzung, nämlich Preßluft oder Sauerstoff, Verwendung finden kann und wobei auf Wasserkühlung verzichtet werden kann.
Ausgehend von einem Plasmabrenner der vorstehend beschriebenen, bekannten Bauart wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammer (9) durch eine gasdurchlässige Scheidewand (13) derart unterteilt ist, daß der eine Teil der Kammer (9) mit der Umgebung durch die Hauptöffnung (8) der Düse (7) und der andere Teil der Kammer (9), der an eine Gasquelle (11) angeschlossen ist, mit der Umgebung durch mindestens einen Hilfskanal (10) verbunden ist, wobei die Elektrode (3) durch die Scheidewand (13) hindurchgeführt ist.
An sich ist aus der DL-PS 1 01 082 ein Plasmabrenner mit einer zwischen der Kathode und der Düse angeordneten Druckblende bekannt. Diese Druckblende soll jedoch eine gleichmäßige Beaufschlagung des Plasmabogens mit dem Trägergas bewirken, und zur Kühlung ist auch hier Wasser erforderlich.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung des vorliegenden Erfindungsvorschlags ist die Düse und mindestens ein Teil des Isolators von der Außenseite in der Weise abgeschirmt, daß es zwischen diesen einen mit der Kammer durch den genannten Hilfskanal verbundenen Spalt gibt, wobei im Schirm zweckmäßigerweise Löcher zum Durchströmen des Kühlgases ausgeführt sind.
Darüber hinaus ist es sinnvoll, als Stoff für den Halter Kupfer oder Legierungen auf dessen Basis und als Stoff für den Einsatz Hafnium oder Legierungen auf dessen Basis zu verwenden.
Es ist weiterhin zweckmäßig, den Halter der Einrichtung hohl auszuführen und mit einem an die Quelle für das dem Hohlraum des genannten Halters zugeführte plasmabildende und Kühlgas angeschlossenen Rohr zu versehen, wobei der Hohlraum des Halters durch Kanäle mit dem Teil der Kammer verbunden ist, der mit der Atmosphäre durch den Hilfskanal verbunden ist.
Der Betrieb des erfindungsgemäßen Plasmabrenners zeichnet sich dadurch aus, daß zur Plasmaerzeugung und zur Kühlung ein Gas von gleicher chemischer
Zusammensetzung verwendet wird. Zweckmäßigerweise dient als plasmabildendes Gas und Kühlgas Preßluft oder Sauerstoff.
Schließlich ist es zweckmäßig, die Betriehsparameter so einzustellen, daß der gesamte Verbrauch des zugeführten Gases in den Grenzen von 60 bis 100 mVh und die Menge des plasmabildenden Gases nicht unterhalb von 7% des Gesamtverbrauches liegt.
Durch die Erfindung wird es möglich, beim Brennschneiden und bei der Oberflächenbehandlung von Metallen mit Arbeitsströmen bis zu 300 A zu arbeiten und zur Plasmaerzeugung und Kühlung Preßluft bzw. Sauerstoff einzusetzen. Dabei können Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bis zu 40 mm Stärke, Aluminium und dessen Legierungen bis zu 40 mm Stärke, Kupfer und dessen Legierungen bis zu 30 mm Stärke von Hand bearbeitet werden.
Der Plasmabrenner ist unter beliebigen Witterungsverhältnissen einsetzbar, beispielsweise bei Montagearbeiten im Freien, bei der Rohrverlegung, im Schiffbau u.a.
Bei Verwendung von Sauerstoff und bei einem Strom bis zu 300 A ist ein qualitätsgerechtes Brennschneiden von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bis zu 50 mm Stärke sowie eine qualitätsgerechte Oberflächenreinigung von beispielsweise Gußblöcken, Brammen u. ä. möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Plasmabrenner,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Wärmeflusses in die Elektrode und der Erosion des Elektrodeneinsatzes des Plasmabrenners gemäß F i g. 1,
Fig.3 die Konstruktion eines Plasmabrenners zur Bearbeitung stromleitender Werkstoffe und
F i g. 4 den Schnitt IH-III in F i g. 3.
Der Plasmabrenner zur Bearbeitung stromleitender Werkstoffe hat eine Gleichstrom-Speisequelle 1, deren Pluspol an einen zu bearbeitenden Werkstoff 2 angeschlossen ist Der Minuspol der Speisequelle 1 ist an eine gasgekühlte, nicht abschmelzende, aus einem Einsatz 4 und einem Halter 5 bestehende Elektrode 3 angeschlossen.
Die Elektrode 3 befindet sich im Inneren einer gasgekühlten Düse 7 mit einem Zentraikanal 8 zum Austritt des plasmabildenden Gases. Am rückwärtigen Ende sind Elektrode 3 und Düse 7 mittels eines Isolators 6 miteinander verbunden.
Die Elektrode 3, der Isolator 6 und die Düse 7 bilden gemeinsam eine Kammer 9, die mit der Atmosphäre durch den gleichachsig mit dem Einsatz 4 der Elektrode 3 verlaufenden Zentralkanal 8 verbunden ist.
Außerdem ist die Kammer 9 mit der Atmosphäre auch durch einen Hilfskanal (bzw. Kanäle) 10 verbunden.
Eine Quelle 11 für das plasmabildende und das Kühlgas ist über eine Rohrleitung 12 an die Düse 7 angeschlossen.
Die Kammer 9 ist durch eine gasdurchlässige Scheidewand 13 in zwei Räume unterteilt, wobei die Elektrode 3 durch die Scheidewand 13 hindurchgeht. Die Scheidewand 13 teilt die Kammer 9 derart in zwei Räume ein, daß der eine Raum durch den Zentralkanai 8 der Düse 7 und der andere Raum durch den Hilfskanal (bzw. die Kanäle) 10 mit der Atmosphäre verbunden ist, wobei die Rohrleitung 12 der Quelle 11 für das plasmabildende und das Kühlgas in den letztgenannten Raum mündet.
Der Halter 5 der Elektrode 3 ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt. Der Einsatz 4 der Elektrode 3 ist aus Hafnium oder aus Legierungen auf dessen Basis nergestellt.
Die gasdurchlässige Scheidewand 13 kann aus einem porösen Isolierstoff hergestellt sein. Sie kann auch aus einem kompakten Stoff mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern hergestellt sein. Die erforderliche Haupteigenschaft der gasdurchlässigen Scheidewand 13 ist ein bestimmter Strömungswiderstand. Wenn der Strömungswiderstand der gasdurchlässigen Scheidewand 13 mit Eins angenommen wird, so beträgt das optimale Verhältnis zwischen ihrem und dem Strömungswiderstand des Zentralkanals 8 der Düse 7 und dem der Hilfskanäle 10 im gleichen Relastivmaß 1:3:16. Das minimale zulässige Verhältnis der Strömungswiderstände beträgt 1 :2 :12 und das maximale 1 : 3,5 : 20.
Eine Ausbildung der gasdurchlässigen Scheidewand 13 mit einem veränderlichen aerodynamischen Widerstand ist möglich.
Der beschriebene Plasmabrenner wird wie folgt betrieben:
Der von der Gleichstromquelle 1 gespeiste elektrische Lichtbogen brennt zwischen dem Einsatz 4 der nicht abschmelzenden Elektrode 3 und dem zu bearbeitenden Werkstoff 2 im Strom des mit ihm durch den Zentralkanal 8 strömenden plasmabildenden Gases. Der gesamte Strom des plasmabildenden und des Kühlgases wird von der Quelle 11 über die Rohrleitung 12 der Kammer 9 zugeführt. Der gesamte Gasstrom kühlt den Halter 5 der Elektrode 3 ab.
Ein Teil des gesamten Gasstromes wird unter Kühlung der Düse 7 in die Atmosphäre entlassen. Der andere Teil des gesamten Gasstromes — das plasmabildende Gas — tritt durch die gasdurchlässige Scheidewand 13, wird in der Lichtbogensäule ionisiert und strömt in Form eines Plasmastrahls auf dem zu bearbeitenden Werkstoff 2.
Als plasmabildendes und Kühlgas wird ein Gas gleicher chemischer Zusammensetzung, nämlich Preßluft oder Sauerstoff verwendet
Während an sich zu erwarten war, daß beim Übergang zur Gaskühlung die Lebensdauer der Elektrode mit dem Hafniumeinsatz sprunghaft abnimmt, weil die Wärmeübertragung vom Kupferelektrodenhalter zum Gas um drei Größenordnungen schlechter als die Wärmeübertragung vom Kupferhalter zum Wasser ist, wurde überraschenderweise gefunden, daß bei der Gaskühlung die Elektrode mit dem Hafniumeinsatz sich in der Zone des Halters durchschnittlich auf 200 bis 3000C erhitzt und sich die Stromdichte an der wirksamen Stirnseite des Hafniumeinsatzes, wo der Lichtbogenfußpunkt liegt, automatisch absenkt. Diese Erscheinung wird von einer Verringerung des Wärmeflusses in die Elektrode und einer Erhöhung der Beständigkeit des Hafniumeinsatzes begleitet. Ein solcher Betrieb ist mit Wasserkühlung unmöglich, weil sich die Durchschnittstemperatur des Kupferhalters bei Wasserkühlung in den Siedegrenzen entsprechender Temperaturen bewegt.
F i g. 2 zeigt die Untersuchungsergebnisse des Betriebs des Plasmabrenners. Auf der Abszisse A ist die Betriebszeit in Stunden aufgetragen; auf der einen Ordinate B ist die lineare Erosion des Einsatzes in mm und auf der anderen Ordinatenachse C der Wärmefluß in die Elektrode in Watt aufgetragen.
Die Kurve »anzeigt die Änderung des Wärmeflusses in die nicht abschmelzende Elektrode und gleichzeitig die lineare Erosion des Hafniumeinsatzes bei einem Lichtbogenstrom von 250 A, einem Verbrauch von Luft als plasmabildendes Gas von 4,5 m3/h und einem Gesamtverbrauch von Luft als plasmabildendes Gas und Kühlgas von 80 mVh. Dabei ist hier wie auch im weiteren der Gasverbrauch bei 760 Torr angegeben.
Die Kurve »b« zeigt die Änderung des Wärmeflusses in die Elektrode und gleichzeitig die lineare Erosion des Hafniumeinsatzes bei einem Lichtbogenstrom von 250 A, einem Verbrauch an plasmabildender Luft von 2,5 mVh und einem Gesamtv „rbrauch an plasmabildender Luft und Kühlluft von 40 m3/h.
Die Kurve »c« zeigt die Änderung des Wärmeflusses in die Elektrode und gleichzeitig die lineare Erosion des Hafniumeinsatzes bei einem Lichtbogenstrom von 250 A, einem Verbrauch an plasmabildender Luft von 4,5 m3/h und einem Gesamtverbrauch an plasmabildender Luft und Kühlluft von 70 m3/h.
Die Kurve »d« zeigt vergleichsweise die Ergebnisse derartiger Prüfungen für eine Elektrode mit Zirkoniumeinsatz bei einem Gesamtverbrauch an plasmabildender Luft und Kühlluft von 80 m3/h.
Die durchgeführten Untersuchungen haben erkennen lassen, daß in der Praxis eine annehmbare Lebensdauer des Plasmabrenners bei einem Gesamtverbrauch an plasmabildendem Gas und Kühlgas von 60 bis 100 m3/h erwartet werden kann. Hierbei soll der Verbrauch des plasmabildenden Gases nicht unterhalb 7% des Gesamtverbrauches liegen. Die obere Grenze des gesamten Gasverbrauches wird durch die zulässige obere Grenze des Verbrauches des plasmabildenden Gases bestimmt, bei deren Überschreiten die Lebensdauer des Hafniumeinsatzes sprunghaft abnimmt.
Die Untersuchungen haben weiterhin erkennen lassen, daß der Bereich der Arbeitsströme günstigerweise 100 bis 300 A beträgt.
Ein konkretes Beispiel für die Konstruktion des erfindungsgemäßen Plasmabrenners ist in Fig.3 und 4 gezeigt. Die nicht abschmelzende Elektrode 3 besitzt einen Halter 5, der aus Kupfer mit einem darin untergebrachten Hafniumeinsatz 4 hergestellt ist. Die Elektrode 3 ist mit einem Isolator 6 mit Hilfe einer Gewindebuchse 14 verbunden, die eine Ausführung 15 aufweist. Mit dem Isolator 6 ist mittels Buchse 14 eine Kupffirdüse 7 mit einem Zentralkanal 8 zum Austritt des plasmabildenden Gases verbunden. Die Elektrode 3, der Isolator 6 und die Düse 7 bilden zusammen eine Kammer9.
Die Kammer 9 ist mit der Atmosphäre durch den gleichachsig mit dem Einsatz 4 der Elektrode 3 verlaufenden Zentralkanal 8 sowie auch durch Hilfskanäle 10 verbunden. Die Kammer 9 ist durch eine gasdurchlässige Scheidewand 13 in zwei Räume unterteilt, und die Elektrode 3 geht durch die
ίο Scheidewand 13 durch. Der eine Raum ist mit der Umgebung durch den Zentralkanal 8 der Düse 7 und der andere Raum mit der Umgebung durch die Hilfskanäle 10 verbunden.
Die Düse 7 und ein Teil des Isolators 6 sind von der Außenseite durch einen Schirm 16 in der Weise abgedeckt, daß dazwischen ein mit der Kammer 9 über die Hilfskanäle 10 verbundener Spalt ausgebildet ist. Im Schirm 16 ist eine Vielzahl von Löchern 17 zum Durchgang des Kühlgases ausgeführt.
Der Halter 5 ist hohl ausgeführt und mit einem Rohr 18 zur Zufuhr eines plasmabildenden und eines Kühlgases zum Hohlraum des Halters 5 versehen. Der Hohlraum des Halters 5 ist durch Kanäle 19 mit dem Raum der Kammer 9 verbunden, der mit der Umgebung durch die Hilfskanäle 10 verbunden ist.
Das plasmabildende und das Kühlgas (Luft oder Sauerstoff) werden über eine Rohrleitung dem Rohr 18 der Elektrode 3 zugeführt.
Der Minuspol der Speisequelle wird an die Elektrode 3 angeschlossen. An eine Ausführung 15 wird eine Standardeinrichtung zur Lichtbogenbildung angeschaltet.
Die Arbeitsweise des in F i g. 3 und 4 dargestellten Plasmabrenners entspricht der anhand der Fig. 1 gegebenen Beschreibung.
Der in Fig.3 und 4 dargestellte Plasmabrenner wurde beim Handbrennschneiden von Metallen mit Luft und Sauerstoff erprobt. Die Prüfungsergebnisse haben gezeigt, daß unter den oben beschriebenen Betriebsverhältnissen ein produktives Brennschneiden niedriggekohlter Stähle mit einer Stärke bis zu 40 mm beim Betrieb mit Luft und ein hochwertiges Brennschneiden von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit einer Stärke bis zu 50 mm beim Betrieb mit Sauerstoff gewährleistet ist. Darüber hinaus wurden gute Ergebnisse beim Brennschneiden von Kupfer mit einer Stärke bis zu 30 mm erzielt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Plasmabrenner zur Bearbeitung elektrisch leitfähiger Werkstücke mit einer gasgekühlten, nicht abschmelzenden, aus einem Einsatz und einem Halter bestehenden Elektrode, die im Betrieb mit dem Minuspol der Gleichstrom-Speisequelle verbunden ist, während das Werkstück mit dem Pluspol verbunden ist, mit einem die Elektrode umgebenden '° Isolator, mit einer gasgekühlten Düse, die gleichachsig mit der Elektrode und dem Isolator in der Weise angeordnet ist, daß die Elektrode, der Isolator und die Düse zusammen eine Kammer bilden, die mit der Umgebung durch die Hauptöffnung der Düse sowie durch mindestens einen Hilfskanal verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (9) durch eine gasdurchlässige Scheidewand (13) derart unterteilt ist, daß der eine Teil der Kammer (9) mit der Umgebung durch die Hauptöffnung (8) der Düse (7) und der andere Teil der Kammer (9), der an eine Gasquelle (11) angeschlossen ist, mit der Umgebung durch mindestens einen Hilfskanal (10) verbunden ist, wobei die Elektrode (3) durch die Scheidewand (13) hindurchgeführt ist.
2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (9) an ihrer Außenseite von einem mit Löchern (17) versehenen Schirm (16) derart umgeben ist, daß zwischen dem Isolator (6) und/bzw. der Düse (7) ein Spalt entsteht, in den die Hilfskanäle (10) münden.
3. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Halter (5) Kupfer oder Kupferlegierungen und als Material für den Einsatz (4) Hafnium oder Hafniumlegierungen verwendet werden.
4. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (5) einen Hohlraum aufweist, der durch ein Rohr (18) mit der Gasquelle in Verbindung steht, und daß das Gas von dem Hohlraum durch Kanäle (19) in den Teil der Kammer (9) strömen kann, der mit der Umgebung durch Hilfskanäle (10) verbunden ist.
5. Betriebsverfahren für den Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch 4^ gekennzeichnet, daß zur Plasmaerzeugung und Kühlung ein Gas von gleicher chemischer Zusammensetzung verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Preßluft oder Sauerstoff verwendet so wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des plasmabildenden Gases nicht weniger als 7% des insgesamt verbrauchten Gases beträgt.
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