DE2541166A1

DE2541166A1 - Verfahren und einrichtung zum schutz der duesen von werkstueckgepolten plasmabrennern

Info

Publication number: DE2541166A1
Application number: DE19752541166
Authority: DE
Inventors: Jochen Boehme; Dieter Dipl Ing Odrich; Rudolf Pochert; Willy Roggenbuck; Peter Dipl Ing Wiese
Original assignee: Mansfeld Kombinat Wilhelm Pieck VEB
Current assignee: Kjellberg Elektroden and Maschinen GmbH Finsterwalde
Priority date: 1974-10-08
Filing date: 1975-09-16
Publication date: 1976-04-22
Also published as: DE2541166C2; GB1524222A; DD132706A3; JPS5191850A

Description

Verfahren und Einrichtung zum Schutz der Düsen von werkstückgepolten Plasmabrennern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zum Schutz der Düsen vm werketückp-eflten Plasmabrennern, d.h. daß der Lichtbogen zwischen der Katode und dem Werkstück brennt und von der Düse ge formt wird.

Derartige Plasmabrenner führen zwischen der Düsenwand und dem Plasmalichtkogen eine Kaltgasschicht, die ther misch und elektrisch den Plaemalichtbcgen v>n der Tüsen wand isoliert. Sei verschiedenen Betriebszuständen, wie z.B. bei zu hohem Lichtbcgejftsifcrcm oder Kurzschluß zwi sehen Düse und Y/erkstück du-pefe. liaterialauf traeungen, Ausbeulungen cder auf dem Werkstück liegenden leitenden ^n, erfolgt ein Durchschlag der Kaltgasschicht* Dabei .ei,n₍ Teil des Lichtbogenstrcmes von der Düsenwandung übörbasiffbict. Es bildet sich ein sogenannter Dcppellicht ir/ welcher zwischen Werkstück Katode und zwischen is'e Werkstück brennt. Dieser Dcppellicht.bogen wäachtden Düsenkanal aus, was zur Verschlechterung der Plasmalichtbogenausbildung führt bis zur totalen Zer der Düse.

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Es ist bekannt zur Verhinderung der Bildung von Poppel · lichtbogen und /sleichzeitigen Regelung des Betriefcs.TJ. Standes der PlasmalichtbogenbearbeitungGanlagen, daß die Spannung zwischen Katode u^d Düse gemessen wird. Ein da · bei auftetender Sprung der Spannung wird registriert und benutzt, um in bekannter Weise den Lichtbogenstrom zu reduzieren bzw. zu unterbrechen. Bin derartiger Sponnungssprung findet im Augenblick des Durchschla^res der Kaltgetsschicht statt, so daß eine größere Zerstörung der Düse vermieden wird.

Dieses "Verfahren hat den Nachteils daß die Schutzmal nähme erst dann einsetzt, wenn der Strom bereits über die Düse fließt, d^h. wenn sich der Drppellichtlcgen be reite ausgebildet hat, da in diesem Moment erst der Potentialsprung eintritt Bei großen Lichtbcgenstri"men₃ z.B* 500 A, reicht aber schon die Verzögerungszeit der Schaltelemente aus, um die Düse zu beschädigen. Bin weite rer lachteil besteht darin, daß die Potentialwerte bei den normalen Betriebsbedingungen nicht immer koriiitant sind. So vergrößert sich das Potential zwischen Katode und Düse mit wachsendem Eatodenausbrand, \vährend das Potential zwischen Düse und Werkstück von der jeweiligen Werkstückdicke und der Schnittgeschwindigkeit abhängt Beide Varianten zeigen keine eindeutige Schaltschwelle, d.h., man kann den Schaltwert nur ungenau einstellen oder muß ihn mit großem elektronischem Aufwand nach führen«

Der Zweck der Erfindung besteht in der Erhöhung der Düsenstandzeit und der Senkung der Ausschußquote am zu "bearbeitenden Werkstück.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, das Auftreten von Doppellichtbcgen und damit Beschädigungen öer Düse bei werkstückgepolten

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Plasmabrennern mit hoher Sicherheit zu verhindern, un abhängig davon, was die Ursache für das Entstehen des Doppellichtbogens ist.

jirf indungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kapazität, die zwischen der metallischen Düse als eine Elektrode und dem Plasmastrahl als die andere Elektrode, getrennt durch den als Dielektrikum wirkenden Kaltgas mantel, auftritt, laufend gemessen und überwacht wird. Jede Änderung der Dicke des Kaltgasmantels bewirkt eine Änderung der Kapazität, wobei sich ebenfalls der Ver lustwinkel verändert: Folglich kann als Meßgröße der Verlustwinkel, die Kapazität oder beide als komplexe Größe verwendet werden. Diese Meßgröße wird in bekannter Weise ale Signal zur Auslösung von Schaltvorgängen he nutzt, um den Lichtbogenstrcm zu reduzieren oder zu unterbrechen. Die Messun/f erfolgt gleichstromfrei und unabhängig vom jeweiligen Düsenpotential. Eb ist zweckmäßig, den Grenzwert so einzustellen* daß die Unterbrechung des Lichtbcgenstromes bereits vor Ent stehen des Doppellichtbogens erfolgt Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Grenzwertüberwachung in mehreren Stufen erfolgt und so beispielsweise bei Erreichen der ersten Stufe den Lichtbogenstrom reduziert und ihn bei der zweiten Stufe unterbricht.

Y/eiterhin ist es zweckmäßig, wenn bei Erreichen des Grenz wertes bzw. boi Reduzierung oder Unterbrechung des Licht bogens ein optisches und/oder akustisches Signal ausge löst wird.

Pie Einrichtung zur Durchführungj des Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer regelbaren Gleichstromquelle, einem Umschaltrelais von Pilotbogen auf Hauptlichtbogen mit einem Vorwiderstand, die mit dem Plasmabrenner in bekannter Yfeise zusammengeschaltet sind, und zeichnet

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sich, dadurch' bus, daß eine Wechselstrcmquelle beim Brennen dee Hauptlichtbogens über einen Übertrager an die Düse des riäsmabrennerfj und die Katode und das Werkstück parallel liegend angeschlossen ist. In die auf die Katode und das Werkstück führende Leitung ist der Indikator mit Grena wertschalter zwischengeschaltet, an welchen ein Relais angeschlossen ist, dessen Schaltkontakt im Lichtbogen Stromkreis liegt. Zur gleichstrcmfreien Einkopplung der Meßwechselspannung an die Düse ist in jede Verbindung vom Übertrager zur Kate de unö zum Werkstück ein Konden sator geschaltet.

Es ist zweckmäßig, daß die Frequenz der M eßwechs el spannung größer als 50 Hz bis etwa 1 MB&'ist.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Kapazität der Konden satoren um mindestens den Paktor 10 größer ist als die Kapazität zwischen der Düse und dem Plasmnstrahl im Normalzustand

Die technisch ökonomischen Auswirkungen der ...rfindung be stehen darin, daß eine Beschädigung der Düse durch einen Doppellichtbogen vollkommen ausscheidet, da sich diese überhaupt nicht erst ausbilden kann, denn bereits vorher verändert der Kaltßasmantel seinen stabilen Zustand und wird dünner bis or aufreißt Dadurch, daß der Kaltgas mantel als.Meßgröße dient, wird dieser Übergang bereits erfaßt. Es ist damit auch möglich, dieses Verfahren als Stromgrenzwertschaltung auszunutzen, was von Vorteil für eng tollerierte IHisen ist ν Auch G-asmangel kann mit dem Verfahren signalisiert werden, da bei Unterschreiten eines bestimmten öasangebotes der Kaltgasmantel dünner wird. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung werden ebenso Düsenkurzsehlüsse bei Verwerfen des Werkstückes, auflie genden metallischen Teilen oder Ausfall der Höhensteuerung und Zerstörung der Düse bei unsachgemäßem Einstechen ver hindert. I<le Arbeitsweise des Plasmabrenners ist betriebs

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sicher, die Düsenstandzeit wird weeentlich erh^f."ht und die Werkstücke werden fehlerfrei bearbeitet Seilst Schäden durch falsche Handlung des Bedienenden wirken sich nicht aus

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Is ein PlasmaentlaÖungssystem mit symbolischer Kcndensatordarstellung,

2: ein Schaltbild eines Plasmabrenners mit der erfinduniregemäßon Verrichtung zum Schutz der Düse.

In bekannter Weise wird zur Inbetriebnahme des Plasma brennere zunächst ein JPilctl?ogen zwischen der Katcde 1 und der Düse 2 gezündet, der von der Gleichstromquelle über den Vorwioerstand 4 und den Eolaiskentakt 5 gespeist wird. Berührtfbr Lichtbogen dae Werkstück β, se fließt der Hauptbcgenstrom mit gesteuertem Anstieg über das Stromrelais 7, welches die Düse 2 über den Relaiskontakt 5' trennt und den Plasmastrahl 8 arbeiten lä~t. Die Düse 2 ist damit stromlos- Zur Ermittlung der Kapazität bzw. des komplexen Widerstandes zwischen der Düse 2 und dem Plasmastrahl 8 dient die Wechseletromquelle 9_S die üfeep- den Übertrager 10 unter Zwischenachaltunr oincö Indikators mit Srenzwertschalter 11 an die Düse 2 und die Katcde angeschlossen ist. Die Kondensatoren 12 dienen der gleich strömfreien Einkopplung der MeÖwochselspannung an die Düse 2. Damit wird der Düse 2 koin Pctentialwert durch das Meßverfahren aufgezwungen Das Süsenpotontial kann somit allen Betriebsspannungsworten folgen. Die Kunden satoren 12 liegen zur I>etriebsgleiöhspannung in Reihe und für die Meßwechselspannung parallel, da in diesem Fall das Plasma für die Meßwechsel spannung einen Kurz

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Schluß darstellt. Dio !^wechselspannung besitzt eine ' !frequenz* von /trößer als 50 Hz» Je höher die Frequenz ist, um so kleiner kennen die Kondensatoren 12 gewcählt werden. Zweckmäßig beträgt ihre Kapazität den zehnfachen T/ert der Kapazität zwischen Plasmastrahl und Düse. Durch diese Bemessraag werden Verstimmungen und Meßwertbeeinflussun/sen unterdrückt. Bor Grenzwertschalter des Indikators 11 wird so ©ingestellt, daß er bei 10 % bis 20 % iüsennenn stromüberlastung entspricht. Das Ausöangssignal des Grenz wertsefaslters steuert das Relais 13, welches den Licht bogenstrom unterbricht.

Vorteilhaft ist ein zweistufiger Grenzwertschalter, w? durch es möglich ist, den Eüsonnonnstrcm von der ersten Schaltstufo rüclcwirkend auf die Plasmastrcmquelle reduzieren zu lassen. Spricht dio zweite Schaltstufe an, so wird der Lichtbogenstrom unterbrochen. Dxg einzelnen Schaltmtstindo werden optisch angezeigt.

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Claims

Patentansprüche:

(l.-Verfahren zum Schutz der Düsen von Werkstückgepolten Plasmabrennern, bei welchen bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes der Lichtbogenstrom reduziert oder unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorwirkung zwischen der Düse und dem Plasmastrahl mit dem dazwischenliegenden Kfeltgas mantel als Dielektrikum derart ausgenutzt wird, daß die Kapazität, der Verlustwinkel oder beides als komplexe Größe laufend kontrolliert und mit der ein gestellten Grenzwert verglichen wird und die Messung im Meßkreis gleichstromfrei und unabhängig" vem je weiligen Düsenpotential erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, d8ß der Grenzwert so eingestellt wird, daß bereits vor Entstehen eines Doppellichtbcgens iie Unterhre chung des Lichtbcgenstremea erfolgt
Verfahren nach Anspruch 1, aedurch gekennzeichnet, daß die Grenzwertüberwachung in mehreren Stufen er folgt, wobei in der ersten Stufe der Lichtbogenstrcm reduziert und in der zweiten Stufe unterbrochen wird.
4» Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß bei Erreichen des Grenzwertes ein optisches und/oder akustisches Signal ausgelöst wird.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer regelbaren Gleichstromquelle, die über ein ümschaltrelais zum Zünden des Pilotbcgens über einen Vorwideretand an die Düse und die Katode angeschlossen wird und zum Betrieb des Hauptlichtbcgens direkt an die Katode und das Werkstück angeschlrssen wird, da-

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durchgekennaeiehnet₅ daß über einen Übertrager (10) eine Wechselstromquelle (9) "beim !Betrieb des Haupt lichtbogens einerseits an die Düse (2) und anderer seits gleichstromfrei über Kondensatoren (12) an das Werkstück (6) und die Katode (l) angeschlossen ist, daß in diesen Stromkreis ein Indikator mit Grenz wert&chalter (11) geschaltet ist, der ein Relais (13) betätigt, dessen Schaltkontakt im Mchtbogenstromkreis liegt.

Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wecheelstroraquelle (9) größer als 50 Hz bis max« I MHz ist

Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzoich net, daß die Kapazität der Kondensatoren (12) um den !Faktor 10 größer ist als die zwischen der £üse (2) und dem Plasmastrahl (Q)<

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen