DE2541166C2

DE2541166C2 - Verfahren und Einrichtung zum Schutz der Düse eines werkstückgepolten Plasmabrenners

Info

Publication number: DE2541166C2
Application number: DE19752541166
Authority: DE
Inventors: Jochen DDR 8021 Dresden Böhme; Dieter Dipl.-Ing. DDR 8027 Dresden Odrich; Rudolf DDR 8054 Dresden Pochert; Willy DDR 8051 Dresden Roggenbuck; Peter Dipl.-Ing. DDR 8054 Dresden Wiese
Original assignee: VEB MANSFELD-KOMBINAT WILHELM PIECK DDR 4250 LUTHERSTADT EISLEBEN DD; VEB MANSFELD-KOMBINAT WILHELM PIECK DDR 4250 LUTHERSTADT EISLEBEN
Current assignee: Kjellberg Elektroden and Maschinen GmbH Finsterwalde
Priority date: 1974-10-08
Filing date: 1975-09-16
Publication date: 1982-05-13
Also published as: DE2541166A1; JPS5191850A; GB1524222A; DD132706A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der Düse eines werkstückgepolten Plasmabrenners gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-AS 21 40 241 bekannt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Derartige Plasmabrenner, bei denen der Lichtbogen zwischen der Kathode und dem Werkstück brennt und von der Düse geformt wird, führen zwischen der Düsenwand und dem Plasmalichtbogen eine Kaltgasschicht, die thermisch und elektrisch den Plasmalichtbogen von der Düsenwand isoliert Bei verschiedenen Betriebszuständen, wie z. B₁ bei zu hohem Lichtbogenstrom oder Kurzschluß ziwschen Düse und Werkstück durch Materialauftragungen, Ausbeulungen oder auf dem Werkstück liegenden leitenden Teilen, erfolgt ein Durchschlag der Kaltgasschicht, Dabei wird ein Teil des Lichtbogenstromes von der Düsenwandung überbrückt Es bildet sich ein sogenannter Doppellichtbogen, welcher zwischen Werkstück—Kathode einerseits und zwischen Kathode —Düse—Werkstück andererseits brennt. Dieser Doppellichtbogen wäscht den Düsenkanal aus, was zur Verschlechterung der Plasmalichtbogenausbildung führt bis zur totalen Zerstörung der

-.5 Düse.

Bei dem bekannten Verfahren wird zur Verhinderung der Bildung von Doppellichtbögen und gleichzeitigen Regelung des Betriebszustandes der Plasmalichtbogenbearbeitungsanlagen die Spannung zwischen Kathode und Düse gemessen. Ein dabei auftretender Sprung der Spannung wird registriert und benutzt um in bekannter Weise den Lichtbogenstrom zu reduzieren bzw. zu unterbrechen. Ein derartiger Spannungssprung findet im Augenblick des Durchschlages der Kaltgasschicht statt so daß eine größere Zerstörung der Düse vermieden wird.

Es ist auch bekannt die Düse eines werkstückgepolten Plasmabrenners gegen Doppellichtbogenbildung dadurch zu schützen, daß das Potential zwischen Düse und Werkstück gemessen wird und bei Überschreiten einer vorgegebenen Spannung der Strom reduziert oder die Anlage abgeschaltet wird (DD-PS 97 364).

Die genannten Verfahren haben den Nachteil, daß die Schutzmaßnahme erst dann einsetzt, wenn der Strom zumindest teilweise bereits über die Düse fließt, d. h, wenn sich der Doppellichtbogen bereits ausgebildet hat, da in diesem Moment erst der Potentialsprung eintritt. Bei großen Lichtbogenströmen, z. B. 500 A, reicht aber schon die Verzögerungszeit der Schaltelemente aus, um die Düse zu beschädigen. Em wefc-Tcr Nachteil besteht darin, daß die Potentialwerte bei den normalen Betriebsbedingungen nicht immer konstant sind. So vergrößert sich das Potential zwischen Kathode und Düse mit wachsendem Kathodenausbrand, während 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 elektroni schem Aufwand nachführen.

Es ist weiterhin bekannt, bei werkstückgepolten Plasmabrennern durch kapazitive Meßmethoden den Abstand zwischen dem Brenner und der Werkstückoberfläche zu regeln. Diese Verfahren verhindert jedoch nicht die Ausbildung von Doppellichtbögen (DE-OS 15 65 733).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, das Auftreten von Doppellichibö-

gen und damit Beschädigungen der Düse bei werkstückgepolten Plasmabrennern mit hoher Sicherheit zu verhindern, unabhängig davon, was die Ursache für das Entstehen des Doppellichtbogens ist. Der Zweck der Erfindung besteht somit in der Erhöhung der Düsen standzeit und der Senkung der Ausschußquote am zu bearbeitenden Werkstück.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Maßnahmen im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1

gelöst

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Grenzwertüberwachung in mehreren Stufen erfolgt und so beispielsweise bei Erreichen der ersten Stufe den Lichlbogenstrom reduziert und ihn bei der zweiten Stufe unterbricht

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn bei Erreichen des Grenzwertes bzw. bei Reduzierung oder Unterbrechung des Lichtbogens ein optisches und/oder akustisches Signal ausgelöst wird.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer regelbaren Gleichstromquelle, einem Umschaltrelais von Pilotbogen auf Hauptlichtbogen mit einem Vorwiderstand, die mit dem Plasmabrenner in bekannter Weise zusammengeschaltet sind, und zeichnet sich dadurch aus, daß eine Wechselstromquelle beim Brennen des Hauptlichtbogens über einen Übertrager an die Düse des Plasmabrenners und die Kathode und das Werkstück parallel liegend angeschlossen ist In die auf die Kathode und das Werkstück führende Leitung ist der Indikator mit Grenzwertschaiter zwischengeschaitet, an welchen ein Relais angeschlossen ist, dessen Schal kontakt im Lichtbogenstromkreis liegt Zur gleichstromfreien Einkopplung der Meßwechselspannung an die Düse ist in jede Verbindung vom Übertrager zur Kathode und zum Werkstück ein Kondensator geschaltet

Es ist zweckmäßig, daß die Frequenz der Meßwechselspannung zwischen 50 Hz und etwa 1 MHz liegt.
Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Kapazität der Kondensatoren um mindestens den Faktor 10 größer ist als die Kapazität zwischen der Düse und dem Plasmastrahl im Normalzustand.

Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung bestehen dann, daß eine Beschädigung der Düse durch einen Doppellichtbogen vollkommen ausscheidet, da sich dieser überhaupt nicht erst ausbilden kann, denn im Falle einer Störung verändert der Kaltgasmantel bereits vorher seinen stabilen Zustand und wird dünner, bis er aufreißt. Dadurch, daß der Kaltgasmantel die Meßgröße verändert, wird dieser Übergang bereits erfaßt. Es ist damit auch möglich, dieses Verfahren als Stromgrenzwerlschaltung auszunutzen, was von Vorteil für eng tolerierte Düsen ist. Auch Gasmangel kann mit dem Verfahren signalisiert werden, da bei Unterschreiten eines bestimmten Gasangebotes der Kaltgasmantel dünner wird.

Mit dem Verfahren und der Einrichtung werden ebenso Düsenkurzschlüsse bei Verwerfen des Werkstückes, aufliegenden metallischen Teilen oder Ausfall der Höhensteuerung und Zerstörung der Düse bei unsachgemäßem Einstechen verhindert. Die Arbeitsweise des Plasmabrenners ist betriebssicher, die Düsenstandzeit wird wesentlich erhöht, und die Werkstücke werden fehlerfrei bearbeitet Selbst Bedienungsfehler des Plasmabrenners wirken sich nicht schädlich aus.

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

Fig. 1 ein Plasmaentladungssystem mit symbolischer Darstellung der Kapazität zwischen Düse und Plasmastrahl,

Fig.2 ein Schaltbild eines Plasmabrenners mit der

ίο Einrichtung zum Schutz der Düse.

In bekannter Weise wird zur Inbetriebnahme des Plasmabrenners zunächst ein Pilotbogen zwischen der Kathode 1 und der Düse 2 gezündet der von der Gleichstromquelle 3 über den Vorwiderstand 4 und den Relaiskontakt 5' gespeist wird. Berührt der Lichtbogen das Werkstück 6, so fließt der Hauptbogenstrom mit gesteuertem Anstieg über das Stromrelais 7, welches die Düse 2 über den Relaiskontakt 5' trennt und mit dem Relaiskontakt 5 verbindet was den Plasmastrahl 8 zwischen Kathode und Werkstück bewirkt Die Düse 2 ist damit stromlos. Zur Ermittlung der Kapazität bzw. des komplexen Widerstandes zwischer der Düse 2 und dem Plasmastrahl 8 dient die Wechselstromquelle 9, die über den Übertrager 10 unter Zwischenschaltung eines Indikators mit Grenzwertschalter 11 an die Düse 2 und die Kcthode 1 angeschlossen ist Die Kondens toren 12 dienen der gleichstromfreien Einkopplung der Meßwechselspannung an die Düse 2. Damit wird der Düse 2 kein Potentialwert durch das Meßverfahren aufgezwungen. Das Düsenpotential kann somit allen Betriebsspannungswerten folgen. Die Kondensatoren 12 liegen zur Betriebsgleichspannung in Reihe und für die Meßwechselspannung parallel, da in diesem Fall das Plasma für die Meßwechselspannung einen Kurzschluß darstellt.

Die Meßwechselspannung besitzt eine Frequenz von größer als 50 Hz. Je höher die Frequenz ist, umso kleiner können die Kondensatoren 12 gewählt werden. Zweckmäßig beträgt ihre Kapazität den zehnfachen Wert der Kapazität zwischen Plasmastrahl ui;d Düse.

Durch diese Bemessung werden Verstimmungen und Meßwertbeeinflussungen unterdrückt. Der Grenzwertschalter des Indikators 11 wird so eingestellt, daß er bei 10% bis 20% Düsennennstromüberlastung anspricht. Das Ausgangssignal des Grenzwertschalters steuert das Relais 13, welches den Lichtbogenstrom unterbricht.
Vorteilhaft ist ein zweistufiger Grenzwertschalter, wodurch es möglich ist, den Düsennennstrom von der ersten Schaltstufe rückwirkend auf die Plasmastromquelle reduzieren zu lassen. Spricht die zweite Schaltstufe an, so wird der Lichtbogenstrom unterbrochen. Die einzelnen Schaltzustände werden optisch angezeigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Schutz der Düse eines werkstückgepolten Plasmabrenners, bei dem zwischen der Düsenwand und dem Plasmastrahl ein Kaltgasmantel ausgebildet ist, bei dem bei Oberschreiten eines den normalen Betriebszustand des Plasmabrenners bestimmenden Grenzwertes der Lichtbogenstrom reduziert oder unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität zwischen der Düse (2) und dem Plasmastrahl (8) mit dem dazwischenliegenden Kaltgasmantel als Dielektrikum, der zugehörige Verlustwinkel oder beides als komplexe Meßgröße laufend gemessen und mit dem entsprechenden Grenzwert verglichen wird, wobei der Grenzwert so eingestellt wird, daß bereits vor Entstehen eines Doppellichtbogens die Unterbrechung des Lichtbogenstromes erfolgt und die Messung im Meßstromkreis gleichstromfrei und unabhängig vom jeweiligen Düsenpotential erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Grenzwertüberwachung in mehreren Stufen erfolgt, wobei in der ersten Stufe der Lichtbogenstrom reduziert und in der zweiten Stufe unterbrochen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen des Grenzwertes ein optisches und/oder akustisches Signal ausgelöst wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer regelbaren Gleichstromquelle, die über ein Umschaltrelais zum Zünden eines Pilotbogens über einen Vorwiderstand an die Düse und die Kathode angeschlossen wird und Turn Betrieb des Hauptlichtbogens direkt an die Kathodi. und das Werkstück angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb des Hauptlichtbogens über einen Übertrager (10) eine Wechselstromquelle (9) einerseits an die Düse (2) und andererseits gleichstromfrei über Kondensatoren (12) an das Werkstück (6) und die Kathode (1) angeschlossen ist, daß in diesen Meßstromkreis ein Indikator mit Grenzwertschalfer (11) geschaltet ist, der ein Relais (13) betätigt, dessen Schaltkontakt im Lichtbogenstromkreis liegt.

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

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Kondensatoren (12) um den Faktor 10 größer ist als die Kapazität zwischen der Düse (2) und dem Plasmastrahl (8).