DE2545495C2 - Plasma-Brenner - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasma-Brenner, der eine mit Elektrodenhalter befestigte
Elektrode, eine Düse mit einem koaxial zu der Elektrode angeordneten zylindrischen Kanal, einen im Zwischenraum
zwischen dem Elektrodenhalter und der Düse angeordneten elektrischen Isolator, Leitungen für die
Zuführung eines Kühlmittels zu dem Elektrodenhalter und der Düse, Leitungen für die Zuführung eines
plasmabildenden Gases sowie Mittel für die Zuführung des elektrischen Stromes zu der Elektrode und der Düse so
enthält, wobei der Plasma-Brenner aus zwei voneinander lösbaren Teilen besteht, die dicht miteinander
verbunden sind.
Einen derartigen Plasma-Brenner zeigt die DE-OS 06 022. Das stabilisierende Gas wird dabei axial
zugeführt und die Kathode ist in Axialrichtung beweglich, wobei die Düse von einem Kühlraum
umgeben ist, durch den eine Kühlflüssigkeit fließt.
Die DE-AS 14 40 628 betrifft einen Lichtbogenbrenner für einen Lichtbogenofen mit einer flüssigkeitsgekühlten
Elektrode, die sich innerhalb einer ein ionisierendes Gas in den Lichtbogen leitenden Düse mit
verengtem Ausgang befindet, in welchen die Elektrodenspitze hineinragt, wobei diese einen konzentrischen
Kanal aufweist, zu dem ein von der Kühlflüssigkeit des t>5
Elektrodenkörpers gekühlter Kanal führt, durch welchen dem Lichtbogen ein Anteil des ionisierbaren Gases
zueeleitet wird.
Den wichtigsten Anwendungsbereich von Plasma-Brennern bildet das Plasmaschneiden von Metallen im
Medium von sauerstoffhaltigen plasmabildenden Gasen, z. B. im Medium von Druckluft oder Sauerstoff. Einen
besonders bevorzugten Anwendungsbereich bildet das mechanisierte Plasmaschneiden der Metalle unter den
Bedingungen der Fließfertigung, wo die Zerspanungsdaten durch die Bedingungen und den Rhythmus der
Fließfertigungsstraße bei der Herstellung der zu zerschneidenden Erzeugnisse bestimmt werden, z. B.
beim Stranggießen der Metalle, bei der Herstellung von elektrisch spiralgeschweißten Rohren, im Schiffbau usw.
Außerdem können Plasma-Brenner zur Plasmaschweißung von Eisen- und Buntmetallen mit Gleichstrom
negativer und positiver Polung unter der Verwendung von Kohlendioxydgas oder Argon als plasmabildendes
Gas benutzt werden. Die bekannten Plasma-Brenner arbeiten meist im Medium von Druckluft oder
Sauerstoff mit einem Strom von 500 A, sie ermöglichen das Zerschneiden von Blechen mit einer Dicke bis zu
100 mm bei einer Geschwindigkeit bis zu 0,5 cm/s.
Beim Schneiden unter den Bedingungen der Fließfertigung kann man unter Berücksichtigung des gegenwärtigen
Standes der Technik des Plasmaschneidens nur einige Schnitte ohne Auswechselung der Elektrode und
der Düse durchführen. Vor allem aber ist die Auswechselung von schnell verschleißbaren Teilen
innerhalb der Zeitspanne nicht gewährleistet, die für die Verwirklichung eines vollständigen Arbeitszyklus der
Herstellung von Teilen bei der Fließfertigung ausreichend ist. Dieser Nachteil der bekannten Lichtbogen-Plasmabrenner
ist darauf zurückzuführen, daß in diesen Brennern die Auswechselung von schnell verschleißbaren
Teilen getrennt durchgeführt werden muß.
Ein anderer Nachteil der bekannten Plasma-Brenner besteht darin, daß sie keine optimale Arbeitsgeometrie
aufweisen, die die maximale Schnittgeschwindigkeit im Hochleistungs-Betriebszustand ermöglicht. Dabei werden
unter der Arbeitsgeometrie die Form der Innenfläche der Düse, die Form der Außen- und
Innenfläche der Elektrode sowie deren gegenseitige Anordnung verstanden.
Unter Hochleistungs-Betriebszustand werden hier hohe Stromdichte im Kanal der Düse des Plasma-Brenners
sowie auch hoher Verbrauch vom plasmabildenden Gas verstanden.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, unter Vermeidung der vorstehend erwähnten Nachteile einen
Plasma-Brenner zum Plasmaschneiden von Metallen bei der Fließfertigung zu schaffen, in welchem durch eine
spezielle konstruktive Ausführung die gleichzeitige Auswechselung der Elektrode und der Düse gewährleistet
wird.
Die gestellte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Der erfindungsgemäße Plasma-Brenner ermöglicht die gleichzeitige Auswechselung von schnellverschleißenden
Teilen, d. h. der Elektrode und der Düse, in einer Zeit bis zu 30 s, was es gestattet, den erfindungsgemäßen
Brenner unter den Bedingungen der Fließfertigung beim Schneiden von Strängen in Anlagen zum
Stranggießen von Metallen, in Rohrschweißwalzwerken zur Herstellung von elektrisch spiralgeschweißten
Rohren, beim Schneiden von Teilen in programmgesteuerten Maschinen unter den Bedingungen der
Fließfertigung sowie bei der Durchführung von anderen ähnlichen Produktionsprozessen erfolgreich einzusetzen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert; es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung des Plasma-Brenners im Schnitt,
F i g. 2 einen Teil des Brenners, der die Elektrode und die Düse enthält,
Fig.3 einen Teil des Brenners, der Mittel für die Zuführung des Kühlmittels, des plasmabildenden Gsses
und des elektrischen Stromes enthält,
F i g. 4 eine schematische Darstellung eines Teils des Brenners, der die Elektrode und die Düse enthält, unter
Angabe der optimalen Konfiguration der Elektrode und der Düse, im Schnitt,
F i g. 5 axonometrisch die Elektrode des erfindungsgemäßen Brenners,
Fig.6, 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Plasma-Brenners,
F i g. 8 einen Schnitt VIII-VIII in F i g. 7.
Der erfindungsgemäße Plasma-Brenner (Fig. 1)
enthält zwei lösbare und hermetisch miteinander verbundene Teile A und B. Im ersten Teil A des
Plasma-Brenners (F i g. 1 und 2) ist ein Elektrodenhalter 1 vorgesehen, in dem eine Elektrode 2 mit einem aktiven
Einsatz 3 untergebracht ist Koaxial zu der Elektrode 2 ist eine Düse 4 mit einem zylinderförmigen Kanal 5
angeordnet Die Düse 4 ist über Mittel 6 für die Zuführung des elektrischen Stromes durch einen
Hilfslichtbogen (Klemme) an eine Speisequelle angeschlossen. Zwischen dem Elektrodenhalter 1 und der
Düse 4 ist ein elektrischer Isolator 7 angeordnet, in dem ein Kanal 8 für das plasmabildende Gas vorgesehen ist.
Außerdem ist im ersten Teil A des Brenners ein Kanal 9 für die Zuführung von Kühlmittel zu der Elektrode 2
vorgesehen, der in dem Elektrodenhalter 1 ausgeführt ist; es sind weiter ein Kanal 10 für die Abführung des
Kühlmittels aus dem Elektrodenhalter 1, ein Kanal 11 für die Zuführung des Kühlmittels zu der Düse 4 und ein
Kanal für die Abiuhrung des Kühlmittels aus der Düse 4 vorgesehen. Als Kühlmittel wird zweckmäßigerweise
Wasser verwendet
Alle Kanäle 8, 9,10, 11 und 12 des genannten ersten
Teils (Fig.2) des Plasma-Brenners sind an eine Oberfläche C hinausgeführt, die hermetisch mit der
Oberfläche D (F i g. 3) des zweiten Teils B verbunden wird. Die Dichtigkeit der Verbindung wird mittels
Dichtungen 13 und 14 erreicht, die an der zu verbindenden Oberfläche C (F i g. 2) befestigt werden.
Die Befestigung des ersten Teils A des Brenners (F i g. 2) an dem zweiten Teil B des Brenners (Fig.3) wird
mittels einer Mutter 15 verwirklicht. Es können jedoch auch andere Befestigungsarten verwendet werden, die
ein schnelles und dichtes Zusammenfügen der zu befestigenden Teile sichern.
Der zweite Teil A(F i g. 3) enthält ein Mittel 16 für die
Zuführung des elektrischen Stromes (Klemmen) von der Speisungsquelle zu dem Elektrodenhalter 1; ein Mittel
17 für die Zuführung des plasmabildenden Gases durch den Kanal 18; ein MiUeI 19 für die Zuführung des
Kühlmittels durch den Kanal 20 zu dem Elektrodenhalter /; ein Mittel 21 für die Abführung des Kühlmittels
durch den Kanal 22 ails dem Elektrodenhalter /,· ein
Mittel 23 für die Zuführung des Kühlmittels durch den Kanal 24 zu der Düse 4; ein Mittel 25 für die Abführung
des Kühlmittels durch den Kanal 26 aus der Düse 4. Als Mittel 17,19,21,23,25 verwendet man Stutzen.
Die Kanäle 18, 20, 22, 24 und 26 sind an die zu verbindende Oberfläche D derart hinausgeführt, daß bei
der Verbindung des ersten Teils A (Fig.2) und des
zweiten Teils B (F i g. 3) die Kanäle an der Oberfläche der Verbindung jeweils mit den Kanälen 8,9,10,11 und
12 zusammenfallen.
Der Teil B des Plasma-Brenners, der in Fig.3 wiedergegeben ist, wird an einer Vorrichtung zum
Verschieben des Brenners befestigt Eine solche Konstruktion gestattet es, schnell verschleißbare Teile,
und zwar die Elektrode 2 und die Düse 4, ohne die Beteiligung der Mittel für die Zuführung des elektrischen
Stromes, des Kühlmittels und des plasmabildenden Gases gleichzeitig auszuwechseln. Die Düse 4 des
Plasma-Brenners wird aus Kupfer hergestellt Die Elektrode 2 wird ebenfalls aus Kupfer hergestellt, und
der aktive Einsatz 3 wird aus Zirkonium, Hafnium oder aus den auf Basis dieser Metalle hergestellten
Legierungen ausgeführt
Dabei kann man als plasmabildendes Gas Druckluft, Sauerstoff oder Kohlendioxydgas verwenden. Die
Elektrode 2 wird in diesem FaIi an den Minuspol der
Speisequelle angeschlossen. Wenn der aktive Einsatz 3 aus Wolfram oder den auf Wolframbasis hergestellten
Legierungen ausgeführt wird, sind als plasmabildendes Gas Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Helium oder deren
Gemische zu verwenden. Dabei kann die Elektrode 2 sowohl an den Minuspol der Speisequelle, als auch an
den Pluspol der Speisequelle angeschlossen werden.
Der beschriebene Plasma-Brenner hat beim Plasmaschneiden von Metallen folgende Arbeitsweise. Der
Plasma-Brenner wird an der Verschiebevorrichtung (in F i g. 1 nicht wiedergegeben) hinter den Teil B befestigt,
der in F i g. 3 dargestellt ist. Der Gleichstrom wird vom Minuspol der Speisequelle dem Mittel 16 für die
Zuführung des elektrischen Stromes zugeführt. Das plasmabildende Gas (Druckluft oder Sauerstoff) und des
Kühlmittels werden jeweils den entsprechenden Mitteln 17, 19, 23, 21 und 25 zugeführt Der Pluspol der
Speisequelle wird an ein Werkstück 27 angeschlossen.
Die Düse 4 wird über das Mittel 6 für die Zuführung des elektrischen Stromes an ein Mittel 28, z. B. an einen
Oszillator zur Erzeugung eines Hilfslichtbogens zwischen der elektrode 2 und der Düse 4 angeschlossen.
Nach der Erregung des Hilfslichtbogens zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 wird das ionisierte
plasmabildende Gas aus dem Kanal 5 der Düse 4 ausgeblasen und es schließt den Stromkreis der
Speisungsquelle zwischen dem aktiven Einsatz 3 der Elektrode 2 und dem Werkstück 27, indem es einen
schneidenden Plasma-Lichtbogen 29 bildet.
In Fig.4 ist schematisch der Teil des Plasma-Brenners
wiedergegeben, der die Elektrode 2 mit dem aktiven Einsatz 3 sowie die Düse 4 mit dem
zylindrischen Kanal 5, der koaxial zu de: Elektrode 2 angeordnet ist, enthält. Die Düse 4 ist mit den Kanälen
11 und 12 für das Kühlmittel versehen, wobei als Kühlmittel Wasser verwendet wird.
Die maximale Schnittgeschwindigkeit bei einer hohen Zuverlässigkeit wird dabei durch die entsprechende
Form und die gegenseitige Anordnung der Düse 4 und der Elektrode 2 gewährleistet. Die Innenfläche der Düse
4, angefangen vom Endquerschnitt, weist die Form des zylindrischen Kanals 5 auf, der mit dem Kegel über die
konvexe gekrümmte Oberfläche verbunden wird. Die Außenfläche der Elektrode 2, die aus dem Elektrodenhalter
1 heraustritt, weist die Form eines Zylinders auf, der mit der Stirnfläche der Elektrode 2 über die konvexe
krummlinige Oberfläche verbunden ist. Im Zwischenraum zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 ist ein
Spalt vorgesehen, der mit A Ne bezeichnet ist.
Die hier durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, daß für die Verwirklichung der Stromdichte in
dem Kanal 5 der Düse 4 in einem Bereich von 40 bis 50 A/mm2 der Durchmesser des Kanals 5 der Düse 4 in -,
einem Bereich von Dn =3 + 4 mm gewählt werden
muß. Die Höhe HNpdes zylindrischen Kanals 5 der Diise
4 bildet einen der wichtigsten Parameter, die die maximale Schnittgeschwindigkeit bestimmen. Wir haben
festgestellt, daß die genannte Höhe κι Nnp = (1,5 + 2,0) Dn betragen soll, wobei Hnp = 6 mm
besonders vorzuziehen ist. Der Durchmesser des zylindrischen Teils der Elektrode 2 soll in dem Bereich
De = (4 + 5) Dn gewählt werden, wobei De = 16 mm
besonders vorzuziehen ist. Die Höhe des zylindrischen ι > Teils He der F.lektrode 2 soll in einem Bereich
He = (3 + 4) Dn gewählt werden, wobei He = 12 mm besonders vorzuziehen ist
Für die optimale Erzeugung des Stromes von plasmabildendem Gas und die Erreichung der maxima- >o
len Enthalpie des Plasmastrahls spielen eine wichtige Rolle die Höhe Hn* der Radius der konvexen
Oberfläche Rn, der Radius der konvexen Oberfläche Re und der Spalt ANe in deren Gesamtheit.
Es wurde festgestellt, daß die genannten Parameter 2>
folgenden Verhältnissen entsprechen sollten:
W/v,. = (3,5+4,5) Dm wobei Hn? = 12 bis 14 mm
besonders vorzuziehen ist;
Rn = (0,9 + 2,2) Dn, wobei Rn = 4 bis 8 mm besonders
vorzuziehen ist; κι Re = (0,9 + 1,2) Dn, wobei Re = 3,5 mm besonders
vorzuziehen ist;
ANe = (0,2 + 0,4) Dm wobei ANe = 1,0 mm besonders
vorzuziehen ist
Es wurde festgestellt daß der positive Effekt am a
besten erreicht wird, wenn das plasmabildende Gas in den Spalt ANe in Form eines Wirbelstromes eingeführt
wird. Dabei wird das plasmabildende Gas vorzugsweise in dem Abstand He von der Stirnfläche der Elektrode 2
eingeführt Das Gas wird vorzugsweise unter einem Winkel zu der Erzeugenden des zylindrischen Teils der
Elektrode 2 von 0 + 45° eingeführt Der Verbrauch des plasmabildenden Gases soll vorzugsweise auf einem
Niveau von 8 mVh aufrechterhalten werden.
Um maximale Ströme beim Schneiden (bis zu 600 A) zu erreichen, soll die Elektrode 2 des Plasma-Brenners
eine Konstruktion aufweisen, die in F i g. 5 wiedergegeben ist. Die Elektrode 2 wird in Form einer zylindrischen
Büchse 30 aus Kupfer ausgeführt. Im Zentrum des Bodens des Innenraumes der zylindrischen Büchse 30 ist
ein Bolzenansatz 31 mit einem aktiven Einsatz 3 aus Zirkonium, Hafnium, Wolfram oder deren Legierungen
ausgeführt. Der Einsatz 3 wird bündig mit der ebenen Außenfläche der Büchse 30 derart untergebracht daß
der übrige Teil des Einsatzes 3 völlig im Körper des Bolzenansatzes 31 angeordnet ist Die erzeugende
Außenfläche des Bolzenansatzes 31 und die Innenfläche der Büchse 30 sind miteinander durch Rippen 32
verbunden, deren Anzahl 2 übersteigt Vorzugsweise werden sechs Rippen 32 vorgesehen.
Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt daß bei der optimalen Außenform
der Elektrode 2 Voraussetzungen für optimale Temperaturverhältnisse des aktiven Einsatzes 3 geschaffen
werden müssen. Der positive Effekt wird bei einer intensiven und gleichmäßigen Abkühlung des Einsatzes
3 auf dessen gesamter Länge e< reicht Gleichzeitig muß
man auf der wärmeabgebenden Fläche eine Temperatur aufrechterhalten, die unter der kritischen Temperatur
liegt, bei welcher Dünnfilmverdampfung entsteht Die gleichmäßige Abkühlung des Einsatzes 3 wird dadurch
erreicht, daß das Kühlwasser einen bedeutenden Teil der Oberfläche des Bolzenansatzes 31 umspült. Die
Rippen 32 gestatten es, die Fläche der Wärmeabgabe bis zu einer Größe zu entwickeln, bei welcher keine
Verdampfungsprobleme entstehen. Außerdem wird bei der erfindungsgemäßen Konstruktion die Herstellung
der Elektrode 2 im Kaltpressen aus einem zylindrischen Kupferrohling vorgesehen, in welches vorher der aktive
Einsatz 3 eingesetzt wird. Dabei wird durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Elektrode 2 ein
guter Wärmekontakt zwischen dem Einsatz 3 und der Kupferbüchse 30 hergestellt.
Nachstehend wird ein konkretes Ausführungsbeispiel des Plasma-Brenners (F i g. 6,7,8) beschrieben.
Der an der Verschiebevorrichtung zu befestigende Teil des Brenners enthält das Mittel 17 für die
Zuführung des plasmabildenden Gases durch den Kanal 18, das Mittel 19 für die Zuführung des Kühlwassers
durch den Kanal 20 und das Mittel 21 für die Abführung des Kühlwassers durch den Kanal 22, sowie auch das
Mittel 16 für die Zuführung des elektrischen Stromes dem Elektrodenhalter. An dem genannten Teil ist
mittels der Mutter 15 ein auswechselbarer Teil des Plasma-Brenners hermetisch angeschlossen. Der genannte
auswechselbare Teil enthält den Elektrodenhalter 1. In dem Elektrodenhalter 1 ist in einem
kegelförmigen Sitz die Elektrode 2 mit dem aktiven Einsatz 3 angeorndet An dem Elektrodenhalter 1 ist der
Isolator 7 befestigt. An dem Isolator 7 ist die Kupferdüse 4 mit dem zylindrischen Zentralkanal 5 angeordnet. Der
Kanal 5 ist koaxial zu dem Einsatz 3 der Elektrode 2 angeordnet. Die Düse 4 ist mittels einer Mutter 29
befestigt, die auf ein Gehäuse 30 aufgeschraubt ist. Das Gehäuse 30 ist mit dem Mittel 6 für die Zuführung des
elektrischen Stromes zu der Düse 4 versehen. Der genannte Teil des Brenners ist mit runden Gummidichtungen
31 und der Dichtung 14 versehen. Der Elektrodenhalter 1 ist mit dem Kanal 8 für die
Zuführung des plasmabildenden Gases versehen. Für die Zuführung des Kühlwassers zu der Elektrode 2 ist in
dem Elektrodenhalter der Kanal 9 vorgesehen, der mit einem Rohr 32 endet Für die Zuführung des
Kühlwassers zu der Düse 4 ist im Elektrodenhalter 1 ein Kanal 33 vorgesehen. Der Kanal 33 ist durch einen im
Isolator 7 vorgesehenen Kanal 34 mit der Düse leitungsverbunden. Für die Abführung des Kühlwassers
von der Düse 4 ist im Isolator 7 ein Kanal 35 vorgesehen, der mit dem Kanal 10 leitungsverbunden
ist, welcher in dem Elektrodenhalter 1 ausgeführt ist
Alle Kanäle 8, 9 und 10 sind an die Oberfläche des Elektrodenhalters 1 hinausgeführt, die mit dem zweiten
Teil des Brenners verbunden ist, welcher die Mittel 17, 19 und 21 für die Zuführung des Kühlmittels und der
plasmabildenden Luft sowie auch das Mittel 16 für die Zuführung des elektrischen Stromes zu dem Elektrodenhalter
enthält Eine solche Ausführungsform, bei
welcher alle Verbindungsleitungen für das Kühlmittel und das plasmabildende Gas unter einem Potential
stehen, läßt die maximale Zuverlässigkeit und eine schnelle Auswechselung des Schnitteiles des Lichtbogen-Plasmabrenners
erreichen.
Die Elektrode 2 und die Düse 4 des Brenners sind entsprechend F i g. 4 und 5 ausgefühn.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Plasma-Brenner, der eine im Elektrodenhalter befestigte Elektrode, eine Düse mit einem koaxial zu der Elektrode angeordneten zylindrischen Kanal, einen im Zwischenraum zwischen dem Elektrodenhalter und der Düse angeordneten elektrischen Isolator, Leitungen für die Zuführung eines Kühlmittels zu dem Elektrodenhalter und der Düse, ι ο Leitungen für die Zuführung eines plasmabildenden Gases sowie Mittel für die Zuführung des elektrischen Stromes zu der Elektrode und der Düse enthält, wobei der Plasma-Brenner aus zwei voneinander lösbaren Teilen besteht, die dicht miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der einzelnen Elemente auf die beiden Teile (A und B) des Plasma-Brenners so vorgenommen ist, daß im ersten Teil (A) die Elektrode (2) mit dem Elektrodenhalter (1), der Isolator (7) und die Düse (4) mit den Mitteln (6) für die Zuführung des elektrischen Stromes zu der Düse (4) angeordnet sind, wobei die Kanäle (8,9, 11) für das plasmabildende Gas und die Leitungen für das Kühlmittel an die zu verbindenden Oberfläche (C) des ersten Teils (A) hinausgeführt sind, während im zweiten Teil (B) die Mittel (16) für die Zuführung des elektrischen Stromes zu dem Elektrodenhalter (1) und die Leitungen (17, 19, 23) für die Zuführung des Kühlmittels und des }o plasmabildenden Gases angeordnet sind, deren Kanäle (20, 24, 18) ebenfalls an die zu verbindende Oberfläche (D) des zweiten Teils (B) derart hinausgeführt sind, daß sie mit den entsprechenden Kanälen (8, 9, 11) des ersten Teils (A) an der zu J5 verbindenden Oberfläche ((^zusammenfallen.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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D2 | Grant after examination | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |