DE2544402C2

DE2544402C2 - Plasmaschneidbrenner

Info

Publication number: DE2544402C2
Application number: DE2544402A
Authority: DE
Inventors: Michail E. Dan&ccaron;enko; Daniil A. Dudko; Eduard M. Esibian; Valerij A. Kiev Ko&scaron;ema; Vassilij B. Malkin
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1974-10-28
Filing date: 1975-10-03
Publication date: 1983-10-13
Also published as: DE2544402A1; SU493097A1; SE7511997L; FR2289285B1; SE415541B; JPS5252845A; FR2289285A1; GB1507336A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaschneldbrenner mit Wirbelzufuhr des plasmabildenden Gases in eine Formierkammer, begrenzt einerseits durch eine im wesentlichen zylindrische Elektrode von einem Durchmesser, dessen Größe entsprechend dem Lichtbogenstrom gewählt wird, mit einem hochschmelzenden Einsatz und einer flachen Stirnseite, die mit der Seltenfläche der Elektrode durch einen Abschnitt verbunden ist, welcher einen Teil der Außenfläche eines Toms darstellt, und andererseits durch eine Im Abstand davon angeordnete Düse mit einem der flachen Stirnseite der Elektrode zugewandten kegelförmigen Abschnitt und einem sich daran über eine torische Fläche abgerundet anschließenden zylindrischen Abschnitt, dessen Länge entsprechend dem Lichtbogenstrom gewählt Ist, wobei der Abstand zwischen Elektrode und Düse entsprechend dem für den vorgegebenen Durchsatz an plasmabildendem Gas erforderlichen Durchgangsquerschnitt bemessen ist.

Beim Einsatz derartiger Plasmaschneidbrenner hat sich, wie auch schon bei den früheren aus der DE-OS 22 27 684 bekannten Plasmaschneidbrennern mit einer Elektrode, deren Stirnseite kugelförmig ausgebildet ist, sowie bei den aus der DD-PS 83 686 und der DT-Z »Beiträge aus der Plasmaphysik«, Band 11, 1971, Seiten 13 bis 21, bekannten Schneidbrennern, bei denen kegelförmige Elektroden eingesetzt sind, ergeben, daß es infolge der Ausbildung eines doppelten Lichtbogens bzw. einer Wärmeüberlastung zu einer relativ kurzen Standzelt kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmaschneidbrenner zu schaffen, bei dem durch die Wahl optimaler Abmessungen der Elektrode und der Düse eine Formlerkammer gebildet Ist, welche eine hohe Arbeltsdauer der Elektrode und der Düse gewährleistet.

Dies wird be! einem Plasmaschneidbrenner der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Durchmesser der flachen Stirnseite der Elektrode etwa das 0,4- bis 0,5fache des Durchmessers der Elekj trode selbst beträgt, der Krümmungsradius der torischen Fläche der Düse etwa gleich der Länge ihres zylindrischen Abschnittes ist und der Abstand der flachen Stirnseite der Elektrode von der Stirnseite der Düse etwa das lSfache des Durchmessers der flachen Stirnseite der Elektrode beträgt.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Plasmaschneidbrenners und

Fig. 2 schematisch die geometrische Konfiguration der Formierkammer.

Der Plasmaschneidbrenner enthält eine Elektrode 1 (Fig. 1) mit einem hochschmelzenden Einsatz 2 und einer Düse 3. Die Elektrode I ist in einem Elektrodenhalter 4 koaxial mit dem letzteren mit Hilfe einer Überwurfmutter 5 befestigt und mit dem Pol (in der Zeichnung nicht dargestellt) einer Speisequelle durch den Elektrodenhalter 4 verbunden. Die Düse 3 Ist an einem Düsenhalter 6 mit Hilfe einer Schraubenverbindung 7 befestigt. Der Düsenhalter 6 ist mit dem Elektrodenhalter 4 durch ZwischenteMe 8 mittels einer Reihe von Schraubenverbindungen 9 verbunden und von dem letzteren durch ein Dielektrikum 10 elektrisch Isoliert. Der Düsenhalter 6 Ist seinerseits mit dem anderen Pol der Stromquelle elektrisch verbunden.

Die Elektrode 1 ist als Hohlkörper mit einem Boden 11 ausgeführt. Die Innenfläche 12 des Bodens 11 ist in einer Form ähnlich einem Paraboloid ausgeführt, mit einem Scheitel, der dem Inneren des Hohlraums 13 der Elektrode 1 zugekehrt Ist. Dieser Hohlraum 13 ist mit einem Zufuhrsystem (in der Zeichnung nicht dargestellt) für ein Kühlmittel verbunden und dient für die unmittelbare Zuleitung des Kühlmittels an die Elektrode 1. Der hochschmelzende Einsatz 2, der aus Zirkonium, Hafnium bzw. aus anderen hochschmelzenden Metallen hergestellt sein kann, Ist Im Boden 11 der Elektrode 1 In deren Axialrichtung befestigt und grenzt mit dem einen Ende an die äußere Stirnfläche der Elektrode 1 an und tritt mit dem anderen Ende in den Hohlraum 13 hinein. Dank dieser Anordnung befindet sich der hochschmelzende Einsatz 2 im unmittelbaren Kontakt mit dem Kühlmittel, wodurch die Wärmeabfuhr vom Einsatz 2 während des Brennens des Lichtbogens gesteigert wird. Für die Ableitung des Kühlmittels von der Elektrode 1 Ist Im Hohlraum 13 der Elektrode koaxial mit ihr ein Rohr 14 angeordnet, wobei zwischen der Inneren Seitenfläche der Elektrode 1 und der Außenfläche des Rohres 14 ein Ringspal'; 15 vorgesehen 1st. Der genannte Ringspalt ist mit einem System (In der Zeichnung nicht dargestellt) für die Ableitung des Kühlmittels vom Schneidbrenner verbunden.

Für die Wärmeabfuhr von der Düse 3 ist Im Düsenhalter 6 ein ringförmiger Hohlraum 16 vorgesehen, welcher ebenfalls mit dem System für die Zufuhr des Kühlmittels verbunden ist. Die hermetische Abdichtung des Hohlraums 16 und des Ringspaltes 15, in welchen das Kühlmittel fließt, wird In bekannter Welse mit Hilfe einer Reihe von Ringdichtungen 17 erreicht.

Um eine Wirbelzufuhr des plasmabildenden Gases zu erzeugen, Ist im Schneidbrenner ein Wirbler 18 vorgesehen, der ein mehrgängiges Schraubengewinde darstellt.

welches Kanäle bildet, die an der Außenfläche des Elekirodenhalters verlaufen. Diese Kanäle sind von einer Seite mit dem System für die Zufuhr des plasmabildenden Gases (in der Zeichnung nicht dargestellt) - und von der anderen Seite - mit einem Spalt 19 zwischen der Elektrode 1 und der Düse 3 verbunden.

Die Elektrode 1 hat eine flache Stir:ueiie 20 (Fig. 2), die verbunden ist mit der äußeren Seitenfläche 21 der Elektrode 1 durch einen Abschnitt 22, welcher einen Teil der Außenfläche eines Torus (Krümmungsradius K') darstellt. Der Duichmesser der Elektrode 1 wird nach dem Lichtbogenstrom gewählt, welcher seinerseits durch das vorgegebene technologische Schneidverfahren (abhängig von der Metallari, dessen Dicke und der Schnittgeschwindigkeit) bestimmt wird.

Die innere Seitenfläche der Düse 3 hat zwei miteinander verbundene Abschnitte - einen zylindrischen Abschnitt 23 mit dem Innendurchmesser J₁. dessen Länge gleichfalls nach dem Lichtbogenstrom gewählt wird und an die Stirnseite 24 der Düse 3 angrenzt, sowie einen kegelförmigen Abschnitt 25, zugekehrt der flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1. Die Verbindung des zylindrischen Abschnitts 23 mit dem kegelförmigen Abschnitt 25 stellt einen Teil der Innenfläche eines Toms dar. Erfindungsgemäß ist der Durchmesser </ der flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1 im wesentlichen gleich dem 0,4- bis 0,5fachen des Durchmessers ü der Elektrode 1 selbst. Der Verbindungsradius K des zylindrischen Abschnitts 23 der Düse 3 mit deren kegelförmigem Abschnitt 25 ist im wesentlichen gleich der Länge 1 des zylindrischen Abschnitts 23. Die angeführten Verhältnisse ermöglichen die Bildung einer Formierkammer 26 von solchen geometrischen Abmessungen, welche maximal mögliche Arbeitsdauer der Elektrode 1 und der Düse 3 bei sonst gleichen Bedingungen (Kühlsystem, Art und Verbrauch des plasmabildenden Gases) im Vergleich zu den bekannten Schneidbrennern ähnlicher Art gewährleisten.

Bei einem Durchmesser der flachen Stirnseite 20 über dem 0,5fachen des Durchmessers der Elektrode 1 ist die Konzentration des Wärmestroms, der von der Lichtbogensäule zur flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1 gelangt, minimal, was durch einen hohlen Brennkrater der Elektrode 1 gekennzeichnet wird Doch Ist die räumliche Stabilisierung des Llchtbogenstützflecks in Axialrichtung der Elektrode dabei geschwächt. In diesem Falle bewirkt die geringe Konzentration des Wärmestroms von der Lichtbogensäule zur Elektrode 1 eine entsprechend kleine Erosionsgeschwindigkeit des hochschmelzenden Einsatzes 2, was eigentlich eine Vergrößerung der Arbeitsdauer der Elektrode 1 hervorrufen müßte. Infolge der Schwächung des Effektes der räumlichen Stabilisierung des Llchtbogenstützflecks an der Elektrode 1 ist jedoch der Verbrauch des hochschmelzenden Einsatzes 2 In der Längsrichtung scharf begrenzt, was seinerseits die Arbeitsdauer der Elektrode 1 entsprechend vermindert.

Wird ein Schneidbrenner verwendet, in dem der Durchmesser d der flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1 kleiner als 0,4 Durchmesser der Elektrode 1 Ist, steigt die Konzentration des Wärmestroms zur flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1 wesentlich an, was einen entsprechenden Anstieg der Erosionsgeschwindigkeit des hochschmelzenden Einsatzes 2 hervorruft.

Obwohl in diesem FaIK die räumliche Stabilisierung des Lichtbogens ansteigt, beschränkt dennoch die Bildung eines schmalen Aushrennungskraters der Elektrode 1 das Ausbrennen (den Verbrauch) des Einsatzes 2 in dessen Längsrichtung, won hierbei ein Parallelschalten der Lichtbogensäule durch die Kraterwandung erfolgt, so daß ein weiteres Brennen des Lichtbogens unmöglich wird, was ebenfalls die Arbeitsdauer der Elektrode 1 verringert.

Wie bereits betont wurde, ist die Arbeitsdauer der Düse 3 in dem Fall am höchsten, wenn der Verbindungsradius des zylindrischen Abschnitts 23 mit dem kegelförmigen Abschnitt 25 im wesentlichen der Länge deren zylindrischen Abschnitts 23 entspricht. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, so steigt in dem Fall, wenn der Verbindungsradius kleiner ist als die Länge des zylindrischen Abschnitts 23 die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines doppelten Lichtbogens, und die Arbeilsdauer der Düse 3 wird entsprechend verringert, und im anderen Falle - wenn der Verbindungsradius größer ist als die Läng? des zylindrischen Abschnitts 23, steigt der Wärmestrom zur Düse 3 an, was zu einem unproduktiven Verlust der Wärmeleistung des Schneidbrenners oder sogar zu einer Zerstörung der Düse 3 führt.

Vom oben dargelegten ausgehend, kann man zur Schlußfolgerung gelangen, daß zur Arbeitsdauer des Schneidbrenners sowohl die Arbeitsdauer der Elektrode 1 als auch die Arbeitsdauer der Düse 3 gehört.

Eine hohe Konzentration der Wärmeleistung des Lichtbogens in dessen Längsrichtung von der Düse 3 zum Bearbeitungsmetall gewährleistet bekanntlich eine hohe Schnittgeschwindigkeit und eine hohe Schnittgüte. Im Zusammenhang damit konnte man feststellen, daß man die flache Stirnseite 20 der Elektrode 1 in einem Abstand h von der Stirnseite 24 der Düse 3 anordnen sollte, der etwa 1,5 Durchmesser der flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1 beträgt. 1st dieser Abstand größer als der genannte, so entsteht ein unproduktiver Verlust an Wärmeleistung des Schneidbrenners, wodurch die Schnitlgeschwindigkeit vermindert wird, während bei einem kleineren Abstand als der genannte eine Verringerung der Konzentration der Wärmeleistung in der Längsrichtung des Lichtbogens von der Düse 3 zum Bearbeilungsmetall erfolgt, das zu einer Verschlechterung der Schnittgute führt.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beispiele erläutert, welche in der folgenden Tafel angeführt sind.

10 200 4 115 3 3 7

100 400 0.2 16 8 5 5 12

wobei

ü - Durchmesser der Elektrode;

(/ - Durchmesser der flachen Stirnseile der Elektrode; /- Länge des zylindrischen Abschnitts der Düse;
R - Verbindungsradius des kegelförmigen mit dem

zylindrischen Abschnitt der Düse;
/; - Absland zwischen der flachen Stirnseite der Elektrode und der Stirnseite der Düse

bedeuten.

Die Arbeit des erfindungsgemäßen Plasmaschneidbrenners verläuft folgendermaßen:

In den Hohlraum 13 der Elektrode 1 und in den ringförmigen Hohlraum 16 des Düsenhalters 6 wird zunächst Kältemittel eingeleitet. Aus dem Zufuhrsystem für plasmabildendes Gas wird nun dem Wirbler 18 Gas züge-

Schneiddicke	Schnitt	Sch η it ι-	Abmessungen.
von niedrig-	st rom	ueschtt in-	mm
gekohliem		digkeit
Stahl
mm	A	m/min	/J<// R It

führt. Aus dem Wirbler 18 gelangt das Gas in den Spalt 19 zwischen der Elektrode 1 und der Düse 3 und umströmt den zylindrischen Abschnitt 23 der Düse 3.

Daraufhin wird zwischen der Elektrode 1 und der Düse 3 im Spalt 19 ein Hilfslichtbogen erregt, der seinerseits zum Erzeugen des schneidenden Lichtbogens zwischen der Elektrode 1 und dem Bearbeitungsmetall dient. Dabei drückt das plasmabildende Gas in der Formierkammer 26 den Lichtbogen zusammen, um einen hochkonzentrierten Wärmestrom, gerichtet auf das Bearbeitungsmciall, zu erzeugen, wobei das Schneiden des Metalls bewerkstelligt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Plasmaschneidbrenner mit Wirbelzufuhr des plasmabildenden Gases in eine Formierkammer, begrenzt einerseits durch eine im wesentlichen zylindrische Elektrode von einem Durchmesser, dessen Größe entsprechend dem Lichtbogenstrom gewählt wird, mit einem hochschmelzenden Einsatz und einer flachen Stirnseite, die mit der Seitenfläche der Elektrode durch einen Abschnitt verbunden ist, welcher einen Teil der Außenfläche eines Torus darstellt, und andererseits durch eine im Abstand davon angeordnete Düse mit einem der flachen Stirnseite der Elektrode zugewandten kegelförmigen Abschnitt und einem sich daran über eine torische Fläche abgerundet anschließenden zylindrischen Abschnitt, dessen Länge entsprechend dim Lichtbogenstrom gewählt ist, wobei der Abstand zwischen Elektrode und Düse entsprechend dem für den vorgegebenen Durchsatz an plasmabildendem Gas erforderlichen Durchgangsquerschnitt bemessen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der flachen Stirnseite (20) der Elektrode (1) etwa das 0,4- bis 0,5fache des Durchmessers der Elektrode selbst beträgt, der Krümmungsradius der torischen Fläche der Düse (3) etwa gleich der Länge ihres zylindrischen Abschnittes (23) ist und der Abstand der flachen Stirnseite (20) der Elektrode (1) von der Stirnseite (24) der Düse (3) etwa das l,5fache des Durchmessers der flachen Stirnseite (20) der Elektrode (1) beträgt.