DE2830579C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasmabrennersystem nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 36 37 974 ist ein Schweißgerät mit den im Oberbe­ griff des Hauptanspruchs genannten Merkmalen bekannt. Bei die­ sem Gerät wird zusätzlich zum Schweißstrom ein gesonderter Zündstrom aufgebracht, um den Lichtbogen, der beim Null-Durch­ gang immer wieder gelöscht wird, gleichmäßiger brennen zu las­ sen.

Bei Plasmabrennern, die auch als Elektrobogenbrenner bezeichnet werden und die z. B. aus der US-PS 38 13 510 bekannt sind, wird ein Plasma, welches aus isolierten Gasteilchen besteht, auf ein Werkstück gerichtet, um so zu schneiden oder zu schweißen. Wie aus der vorgenannten Druckschrift bekannt ist, wird das zu ionisierende Gas, beispielsweise Stickstoff, über Kanäle im Brennermechanismus der­ art geführt, daß es vor dem Ende der negativ geladenen Elektrode verwirbelt. Die Schweißspitze ist dem Ende der Elektrode benach­ bart; an ihr liegt eine Spannung, die so hoch ist, daß ein Funken zwischen der Elektrode und der Schweißspitze überspringen kann, wodurch das Gas erhitzt und dadurch ionisiert wird. Eine Pilot- Gleichspannung zwischen der Elektrode und der Schweißspitze hält den Pilotbogen aufrecht. Das ionisierte Gas in der Strecke er­ scheint als Flamme und verläuft außerhalb der Spitze, wo sie von der Bedienungsperson gesehen werden kann. Die Erstreckung des Pilotbogens und der Flamme, die praktisch als zusammenfallend angesehen werden können, hängt von der Leistung in der Brennerstrecke - d. h., dem Bogenstrom - sowie von dem Druck des Gases ab, welches in die Brennerstrecke und aus dem Brenner hinaus gedrückt wird. Der Pilotbogen ergibt eine Licht­ quelle, unter welcher die Bedienungsperson die richtige Position des Brenners erkennen kann, bevor der Schweiß- bzw. Schneidvorgang begonnen wird. Wenn in der Praxis der Pilotbogen an ist, ist ein schleifenförmiger Bogen, der sich aus dem Brenner heraus erstreckt, zu erkennen. Wenn der Brennerkopf nach unten auf das Werkstück zu bewegt wird, springt der Pilotbogen von der Elektrode auf das Werkstück über, da die Impedanz des Stromweges durch das Werk­ stück geringer ist als die Impedanz des Stromweges durch die Schweißspitze.

Herkömmliche Einzelgas-Plasmabrenner enthalten Schaltungskreise für den Pilotbogen, welche einen Pilotbogenstrom von 20-40 Am­ pere bei 100 bis 200 Volt an der Strecke zwischen Elektrode und Schweißspitze liefern. Dies führt zu einer Erstreckung des Bogens um 0,6 bis 1,2 cm (¼-½ Zoll) über die Schweißspitze hinaus. Als Folge muß der Brenner bis auf 0,6 bis 1,2 cm an das Werkstück herangebracht werden, bevor der Bogen auf das Werkstück über­ springt. Dies führt zu Schwierigkeiten beim Beginn des Schneid- bzw. Schweißvorgangs.

In Fig. 1 ist ein herkömmliches Plasmabrennersystem dargestellt, wie es im Prinzip aus der US 36 37 974 bekannt ist. Die Brenneranordnung ist insgesamt mit 10 bezeichnet; sie enthält eine Elektrode 36 sowie eine Schweißspitze 38, wobei zwischen diesen eine durch die Pfeile 40 dargestellte Gasströmung statt­ findet. Tatsächlich ist der Brenner, wie der Fachmann weiß, sehr viel komplizierter als in der Zeichnung dargestellt. Die ver­ einfachte Zeichnung reicht jedoch zur Erläuterung der Probleme herkömmlicher Plasmabrenner aus, ebenso wie zur Erläuterung der mit der vorliegenden Erfindung erzielten Verbesserung. Fig. 1 zeigt außerdem ein Werkstück, das insgesamt mit 12 bezeichnet ist, eine Spannungs­ versorgung, die mit 14 bezeichnet ist, sowie ein Kabel 16, wel­ ches zwischen der Spannungsversorgung und dem Brenner verläuft. Das Kabel kann bei manchen Geräten ungefähr 15 m (50 Fuß) lang sein. Wie im Falle des Brenners selbst ist von der Stromversor­ gung 14 nur so viel dargestellt, wie zum Verständnis bekannter Schaltungsanordnungen und der vorliegenden Erfindung erforder­ lich ist.

Die Stromversorgung 14 enthält einen Impuls­ generator 66 und eine Gleichstromversorgung 34 mit einem dritten Anschluß, der durch das Symbol ++ gekennzeichnet ist. Die Funk­ tion dieses dritten Anschlußes wird später beschrieben. Der + -Anschluß der Gleichstromversorgung 34 ist über einen Kurz­ schlußwiderstand 32 mit dem Werkstück 12 verbunden. Der Gleichstromweg für den Pilto­ strom, welcher die Elektrode 36 und die Schweißspitze 38 enthält, enthält außerdem einen Schalter 28 und eine Impedanz 30. Die vier Leitungen zwischen der Stromversorgung, welche in das Kabel 16 eintreten, sind mit den eingekreisten Zah­ len 1, 2, 3 und 4 gekennzeichnet. Dies soll die Korrespondenz mit den Leitungen, welche aus dem Kabel 16 am Brennerende aus­ treten, andeuten. Der Impulsgenerator 66 erzeugt periodische Im­ pulse, die beispielsweise eine Frequenz von 10 Impulsen pro Sekun­ de haben können. Für den Betrieb der Einrichtung ist die genaue Frequenz nicht kritisch.

Der Kreis 50 (dieser ist aus den Druckschriften nicht bekannt), enthält einen Autotransformator 52, welcher eine Primärwicklung 56 und eine Sekundärwicklung 54 aufweist, einen Ladekondensator 58, eine Diode 60 und einen steuerbaren Silizium­ gleichrichter (SCR) 62. Die Sekundärwicklung 54 des Autotransformators 52 ist direkt mit der Schweißspitze 38 verbunden. Die Leitung 4 aus dem Kabel 16, die mit dem negativen Anschluß der Gleichstrom­ versorgung 34 verbunden ist, ist direkt mit der Elektrode 36 ver­ bunden. Beim speziellen, hier beschriebenen Beispiel ist angenom­ men, daß die Gleichstromversorgung 34 200 Volt Gleichspannung zwischen den Anschlüssen liefert, die mit "-" und "+" gekenn­ zeichnet sind. Weiter wird angenommen, daß die Gleichspannungs­ versorgung 34 500 Volt Gleichspannung zwischen dem Anschluß, der mit "+" und dem Anschluß, der mit "++" gekennzeichnet ist, lie­ fert. Demzufolge liegen im Kreis 50 zwischen den Leitungen 2 und 3 500 Volt Gleichspannung. Aufgrund der Polarität der Diode 60 und dem nicht leitenden Zustand von SCR 62, lädt der Kondensator 58 auf 500 Volt Gleichspannung auf.

Wenn ein Impuls des Impulsgenerators 36 am Tor 64 des SCR 62 auf­ tritt, wird letzterer eine leitende Diode. Die parallele Kombi­ nation aus SCR 62 und der Diode 60 wird im wesentlichen ein Kurz­ schlußkreis, da jedes Bauteil den Strom in einer Richtung leiten kann. Demzufolge müssen die gesamten 500 Volt am Kondensator 58 auch an der Primärwicklung 56 des Transformators 52 auftreten. Beim speziellen, hier beschriebenen Beispiel ist das Wicklungs­ verhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung 1 : 30. Demzufolge beträgt die Spannung an der Sekundärwicklung 15 000 Volt. Dies reicht aus, daß ein Funke zwischen der Elektrode 36 und der Schweißspitze 38 überspringt. Wenn der SCR 62 angeschal­ tet ist, wirkt der Kreis, welcher den SCR 62, die Diode 60, den Kondensator 58 und die Primärwicklung 56 enthält, als Ringkreis mit einer Frequenz, der vom Wert der Induktivität der Primär­ wicklung 56 und dem Wert des Kondensators 58 abhängt. Beim spe­ ziellen Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß der Kondensator einen Wert von 0,25 Mikrofarad besitzt, und daß die Wicklung eine Wicklung mit Ferrit-Kern ist, welche 225 Windungen aufweist. Das Windungsverhältnis beträgt ungefähr 1 : 30. Der steuerbare Silizium­ geichrichter ist ein 40 RCS 60 von der Firma International Recti­ fier Company; in diesem Falle hat der Ringkreis eine Frequenz von 150 KHz. Der Ringkreis wird jedoch nahezu augenblicklich aufgrund der Energiedissipation an der Brennerstrecke zwischen der Elek­ trode 36 und der Schweißspitze 38 gedämpft.

Der Autotransformator liefert nicht nur die notwendige Spannungs­ heraufsetzung, um den Funken zu erzeugen, der für den Pilotbogen notwendig ist. Er bildet außerdem einen Weg für die Gleichstrom- Pilotversorgung. Der gesamte Gleichstrom-Pilotversorgungsweg ent­ hält den "+"-Anschluß der Versorgung 34, die Widerstände 30, 32, den geschlossenen Schalter 28, die Leitung 3, den Transformator 52, die Schweißspitze 38, den Pilotbogen 42 a, die Elektrode 36, die Leitung 4 und den "-"-Anschluß der Gleichstromversorgung 34. Die Drossel 30 wirkt natürlich im wesentlichen als Impedanz mit dem Wert 0 für den Gleichstrom. Die meisten herkömmlichen Wicklungen, welche die Spannungserhöhung liefern können, die zur Zündung des Plasmas erforderlich ist, sind jedoch nicht in der Lage, den ver­ hältnismäßig großen Gleichstrom-Pilotstrom zu führen. Sie sind nämlich zu diesem Zwecke nicht ausgelegt.

Der Autotransformator dient außerdem als Drossel und verhindert, daß die Radiofrequenz, die von der Brennerstrecke erzeugt wird, zurück in die Gleichspannungsversorgung gelangt.

In der Praxis führt der beschriebene Kreis zu einem Pilotbogen, wie er bei 42 a gezeigt ist. Dieser wird dann zu einer Schleife ausgeblasen, wie dies bei 42 b dargestellt ist. Bei einem Brenner, der als Schneidbrenner eingesetzt werden soll (im Gegensatz zu einem Schweißbrenner), ist der Druck des strömenden Gases so groß, daß nach einer kurzen Zeit, beispielsweise einer Millisekunde, der Pilotbogen vollständig ausgeblasen ist.

Bei dieser Anordnung hängt also die Einschaltdauer davon ab, daß das Gas den Bogen zwischen den ge­ pulsten Zündungen ausbläst. Dies kann in einigen Fällen zur Re­ duktion der Einschaltdauer kein gangbarer Weg sein. Dies gilt be­ sonders dann, wenn der Plasmabrenner zum Schweißen verwendet wird. Hier ist der Gasdruck möglicherweise zu gering, um den Pilotbogen auszublasen.

Ausgehend vom obengenannten Stand der Technik, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Plasma­ brennervorrichtung dahingehend weiterzubilden, daß ein siche­ res Löschen des Pilotlichbogens unabhängig vom Gasdruck und der Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Plasmagases ge­ währleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentan­ spruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß der Pilotlichtbogen synchron zu einer lückenden Gleichspannung gezündet wird, ergibt sich ein selbsttätiges Löschen unabhängig vom Druck des strömenden Gases. Darüber hinaus kann mit einer wesentlich erhöhten Spannung bzw. er­ höhter Pulsleistung gearbeitet werden, ohne dabei gleichzei­ tig die mittlere Energie des Pilotbogens zu erhöhen. Vorzugs­ weise findet hier ein Autotransformator Verwendung, der zum einen die ionisierenden Impulse erzeugt, zum anderen als Drossel wirkt, die verhindern, daß die über den Funken in der Brennerstrecke erzeugte Hochfrequenz zurück in die Gleich­ stromquelle gelangt.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die anhand von Abbildungen (Fig. 2 und 3) näher erläutert werden. Hier zeigt

Fig. 1 das eingangs erläuterte Plasmabrennersy­ stem,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung,

Fig. 3 Spannungsverläufe, die an bestimmten Stellen der in Fig. 2 gezeigten Schaltung auftreten.

Im folgenden wird anhand von Fig. 2 eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform der Erfindung näher erläutert, wobei für gleiche Teile dieselben Bezugsziffern wie im Rahmen der Erläuterung der Fig. 1 verwendet werden. An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, daß die anhand von Fig. 1 erläuterte Ausführungs­ form des Kreises 50 aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist.

Die Schaltungsanordnung von Fig. 2 unterscheidet sich von der­ jenigen von Fig. 1 darin, daß der Pilotbogen elektrisch gelöscht wird. Dies geschieht dadurch, daß die Gleichstrom-Pilotspannung, die an der Brennerstrecke liegt, durch eine halbwellen-gleich­ gerichtete Wechselspannung ersetzt wird. Außerdem wird der Trig­ gerimpuls auf einen bestimmten Winkel der halbwellen-gleichge­ richteten Spannung synchronisiert.

In Fig. 3 stellen die Wellen a, b, c und d Spannungen dar, die im Schaltkreis von Fig. 2 auftreten, und zwar an den Punkten, die mit a bis d bezeichnet sind.

Die Abschnitte 10, 50 und 16 sind in den Fig. 1 und 2 gleich. Außerdem liefert die Gleichspannungsversorgung 34 zwischen der Elektrode und dem Werkstück eine Gleichspannung. Eine Wechsel­ spannungsquelle 70 ist über einen Schalter 28 mit der Primär­ wicklung eines Transformators 71 verbunden. Die Wechselstrom­ quelle liefert eine Spannung, die als Wellenform a in Fig. 4 mit 50 bzw. 60 Hz (typischerweise) dargestellt ist. Der Trans­ formator enthält zwei Sekundärwicklungen 73 und 74. Eine Diode 76 erzeugt eine Halbwellengleichrichtung der Spannung an der Sekundärwicklung 74, was zu der Spannungsform c in Fig. 3 führt. Letztere Spannung wird über die Leitungen 3 und 4 im Kabel 16 an die Brennerstrecke gelegt. Eine Diode 75 erzeugt eine Halb­ wellengleichrichtung der Spannung an der Sekundärwicklung 73, was zur Spannungsform b von Fig. 3 führt. Letztere Spannung wird über die Leitungen 2 und 3 im Kabel 16 an den Pilotbogen- Zündkreis 50 gelegt. Die letztgenannte Spannung lädt den Kon­ densator 58 auf den Spitzenwert der Spannung auf.

Die Spannung an der Sekundärwicklung 74 wird außerdem an einen herkömmlichen Synchronimpuls-Generator erzeugt, der die Impulse d von Fig. 3 erzeugt. Diese werden über die Leitungen 1 und 3 des Kabels 16 zwischen Tor und Kathode des SCR 62 gelegt. Wie somit den Wellenformen von Fig. 3 zu entnehmen ist, wird der Kondensator 58 voll mit einer Spannung aufgeladen, welche aus­ reicht, den Pilotbogen ebenso zu zünden, wie oben anhand der Fig. 1 beschrieben, wenn der Triggerimpuls d an den SCR 62 ge­ legt wird. Zu dieser Zeit befindet sich auch die Spannung c an der Strecke auf ihrem Maximum. Um einen Viertelzyklus später verringert sich die Spannung c auf 0. Kurz zuvor fällt die Span­ nung c unter denjenigen Wert ab, bei dem der Pilotbogen auf­ rechterhalten wird; letzterer geht aus.

Die Einschaltdauer bei den in Fig. 3 gezeigten speziellen Wel­ lenformen liegt unter 25%. Die Einschaltdauer kann weiter re­ duziert werden, indem die Impulse d , bezogen auf die Spitze der Wellenform c , verzögert werden, oder indem die Frequenz der Impulse d reduziert wird, oder durch beide genannten Maßnahmen.

Claims (7)

1. Plasmabrennersystem mit einer Spannungsversorgung, mit einem Brenner, der eine Elektrode, eine Schweißspitze und eine Ein­ richtung aufweist, welche zwischen Elektrode und Schweißspitze für ein ionisierbares Gas sorgt, mit Mitteln zum Erzeugen ei­ nes Pilotbogens und mit einem Zündkreis für den Pilotbogen, der eine erste Einrichtung umfaßt, welche periodisch eine hin­ reichend große Spannung zwischen die Elektrode und die Schweiß­ spitze legt, so daß der Pilotbogen gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einrichtung (76) zur Gleichrichtung einer Wech­ selspannung in eine lückende Gleichspannung vorgesehen ist, die an den Pilotbogenkreis angelegt wird, und daß der Zündimpuls immer dann erzeugt wird, wenn die Amplitude der lückenden Gleichspannung groß genug für die Aufrechterhaltung des Pilot­ bogens ist und dieser automatisch nach seinem Zünden wieder er­ lischt, wenn die Spannung auf einen Wert unter der Pilotlicht­ bogenspannung sinkt.

2. Plasmabrennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Einrichtung zur Zündung des Pilotbogens (42) zwischen der Elektrode und der Schweißspitze (38) einen Autotransformator (52) umfaßt, der eine Primärwicklung (56) und eine Sekundärwicklung (54) besitzt, einen Lade­ kondensator (58) und einen elektronisch gesteuerten Schal­ ter (62), wobei dieser Schalter (62), der Kondensator (58) und die Primärwicklung (56) des Autotransformators (52) derart miteinander und mit einer Stromversorgung (14) ver­ schaltet sind, daß der Kondensator (58) von der Stromver­ sorgung (14) aufgeladen wird und der Schalter (62) durch Impulse von der Stromversorgung (14) leitend gemacht wird.

3. Plasmabrennersystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kreis für die Pilotbogenspannung den Au­ totransformator (52), die Schweißspitze (38), die Elektro­ de (36) und den Pilotbogen umfaßt, der zwischen der Schweißspitze (38) und der Elektrode (36) entsteht.

4. Plasmabrennersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (14) eine Einrichtung (66) enthält, welche die Impulse erzeugt, eine Einrichtung (75), welche eine lückende Gleichspannung aus einer Wechselspannung für die Versorgung des Zündkreises erzeugt, die zweite Einrichtung (76), welche die lückende Gleichspannung aus einer Wechselspannung für die Versorgung des Pilotlicht­ bogenkreises erzeugt, sowie eine Einrichtung, welche die Impulse und die lückende Gleichspannung so synchronisiert, daß jeder Impuls zu einer Zeit auftritt, zu welcher die Amplitude der lückenden Gleichspannung groß genug ist, um den Pilotbogen aufrecht zu erhalten.

5. Plasmabrennersystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektronisch gesteuerte Schalter ein steuerbarer Siliziumgleichrichter (62) ist, der in einer Schleife mit dem Kondensator (58) und der Primärwicklung (56) des Autotransformators (52) geschaltet ist.

6. Plasmabrennersystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß parallel zum steuerbaren Siliziumgleichrich­ ter (62) eine Diode (60) liegt.

7. Plasmabrennersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Autotransformator (52) einen Drahtquerschnitt auf­ weist, der einen durchschnittlichen Gleichstrom über 20 Ampere führen kann und um einen Ferritkern gewickelt ist, wobei das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Senk­ därwicklung mindestens 1 : 20 beträgt.