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Plasma schneidbrenner
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Die Erfindung betrifft einen Plasma schneidbrenner mit einem Brennerkopf,
der ein an den einen Pol einer Stromquelle legbares, eine zentral angeordnete Elektrodnnadel
tragendes Oberteil und ein hiervon isoliertes, an den anderen Pol der Stromquelle
legbares Unterteil aufweist, an dem eine zentral angeordnete, die Spitze der. Elektrodennadel
aufnehmende, mit Zentrumsgas beaufschlagte Schneiddüse direkt und eine die Schneiddüse
mit radialem Abstand umfassende und in axialer Richtung überragende, mit Kühlgas
beaufschlagte Schildgasdüse unter Zwischenschaltung einer Isolation
aufgenommen
sind.
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Bei einer in Gebrauch befindlichen Anordnung dieser Art umfaßt die
zwischen Unterteil und Schildgasdüse vorgesehene Isolation mehrere Teile in Form
eines auf das Unterteil aufschraubbaren, aus Kunststoff bestehenden Mittelrings,
eines die Einschraubtiefe begrenzenden, ebenfalls aus Kunststoff bestehenden Distanzrings
und eines von der vorderen Stirnseite der Schildgasdüse umgriffenen, konischen Fokusierrings.
Diese Mehrteiligkeit ergibt nicht nur einen hohen Herstellungsaufwand, sondern verteuert
auch die Montage und Lagerhaltung. Hinzu kommt, daß hier zur Befestigung der durch
einen Metallformling gebildeten Schildgasdüse am Mittelring ein am Umfang des Mittelrings
vorgesehener, elastischer O-Ring Verwendung findet, der in eine zugeordnete Nut
der Schildgasdüse einschnappt. Hierdurch wird die Teilezahl noch erhöht. Ein weiterer
Nachteil ist darin zu sehen, daß infolge der zu erwartenden Temperaturbelastung
zur Bildung der einzelnen Teile wie Mittelring, Distanzring, O-Ring, nur wenige
Kunststoffe geeisnet sind, die nicht nur hohe Materialkosten verursachen, sondern
auch nur sehr schwer bearbeitet werden können. Außerdem ist zu befürchten, daß die
thermische Isolation dieses Kunststoffmaterials nicht hoch genug ist, um einen Wärmefluß
von der Schildgasdüse zum Unterteil und damit zum Brennerkopf wirksam zu unterbinden0
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung
der bekannten Anordnungen einen Plasmaschneidbrenner eingangs erwähnter Art mit
einfachen und kostengünstigen Mitteln so
zu verbessern, daß sich
eine vergleichsweise geringe Teilezahl und dennoch eine zuverlässige Funktion und
hohe Standzeit ergeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zwischen
Unterteil und Schildgasdüse vorgesehene Isolation als einteilige Büchse aus keramischem
Material ausgebildet ist, an die unterteilseitig ein Auf schraubgewinde und schildgasdüsenseitig
eine umlaufende Nut angeformt sind, in die eine im Bereich des hinteren Rands der
Schildgasdüse vorgesehene Randklaue federnd einrastbar ist.
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Die hier verwendete Keramikbüchse stellt ein einfaches Preßteil mit
anpreßbarem ALfschraubgewinde und anpreßbarer'Nut dar. Eine mechanische Bearbeitung
ist hierbei daher in vorteilhafter Weise nicht erforderlich.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß das keramische Material
nicht nur eine gute Temperaturbeständigkeit, so ndern auch ausgezeichnete Wärmeisolationseigenschaften
aufweist. Der Wärmefluß von der Schildgasdüse zum Unterteil wird hierbei daher in
vorteilhafter Weise wirksam unterbrochen, was einen wirksamen Schutz des gesamten
Brennerkopfes vor thermischer Überbeanspruchung ergibt und damit insgesamt eine
hohe Lebensdauer und gute Funk tionsfähigkeit erwarten läßt. Auf Grund der Einteiligkeit
der Keramikbüchse und der direkten Rastverbindung zwischen Schildgasdüse und Keramikbüchse
ergibt sich zudem eine Reduzierung der Anzahl der benötigten Teile auf das unbedingt
erforderliche Mindesmaß, wodurch sich die Montage und Lagerhaltung sehr vereinfachen.
Außerdem erqibt sich hierbei auf Grund der Einteiligkeit der Keramikbüchse eine
sehr massive Ausbildung und damit
eine hohe Stabilität und Bruchsicherheit.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß das mit Kühlkanälen versehene Unterteil
infolge der Einteiligkeit der Keramikbüchse bis in die Nähe der vorderen Stirnseite
der Schildgasdüse herabgezogen sein kann, was eine große Länge der Kühlkanäle und
damit eine große Kühlfläche und gute Kühlwirkung ergibt, was sich ebenfalls positiv
auf die erzielbare Funktionssicherheit auswirkt. Die Erfindung löst die ihr gestellte
Aufgabe somit ersichtlich mit höchst einfachen und kostengünstigen Mitteln, Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind demnach insbesondere in einer ausgezeichneten
Wistschaftl,ichkeit zu sehen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der übergeordneten Maßnahmen kann die
Schildgasdüse mit die Randklaue tragenden, durch Axialschlitze gebildeten Federlaschen
versehen sein. Diese Maßnahme ergibt eine einfache und zuverlässige Rastverbindung.
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Eine weitere besonders zu bevorzugende Maßnahme kann darin bestehen,
daß die Keramikbüchse im Bereich ihres vorderen, die Schildgasdüse umfassenden Abschnitts
eine zylindrische, an den Austrittsquerschnitt der Schildgasdüse sich anschließende
Bohrung aufweist, in die die Schneiddüse hineinragt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter
Weise ein großer Abstand und damit ein geräumiger Ringraum zwischen Schneiddüse
und Schildgasdüse bzw. Keramikring, was sich vorteilhaft auf die Funktionssicherheit
auswirkt0 In diesem Zusammenhang ist davon auszugehen, daß der bei Beginn des Brennvorgangs
anfallende Auswurf, der nicht nach unten entweichen kann, in Form von Metallspritzern
in den Bereich zwischen Schneiddüse und Schildgasdüse
eindringt.
Der mit den obengenannten Maßnahmen erzielbare geräumige Zwischenraum zwischen Schneiddüse
und Schildgasdüse stellt daher sicher, daß der eindringende Auswurf keinen Kurzschluß
zwischen der Schneiddüse und der auf das Werkstück aufzusetzenden Schildgasdiise
bewirken kann, was sich positiv auf die Funktionssicherheit auswirkt.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen
der übergeordneten Maßnahmen ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den restlichen
Unteransprüchen.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Brennerkopf, Fig. 2 eine Einzelansicht der Keramikbüchse in geschnittener Darstellung
und Fig. 3 eine Einzelansicht der Schildgasdüse.
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Der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise eines Plasmabrenners
sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner eingehenden
Erläuterung mehr. Der in Fig. 1 dargestellte Plasmaschnejibrenner besteht aus einer
an einem Handgriff 1 befestigten Ummantelung 2, in die zwei an unterschiedliche
Pole einer Stromquelle legbare, voneinander isolierte Teile in Form eines eine zentral
angeordnete Elektrodennadel 3 tragenden Oberteils 4 und eines hier-
von
isolierten Unterteils 5 einsetzbar sind. Zwischen Oberteil 4 und Unterteil 5 ist
ein Isolierring 6 aus keramischem Material angeordnet, der zwischen einander gegenüberliegenden
Sitzflächen von Oberteil 4 und Unterteil 5 aufgenommen ist.
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Das ihrer Spitze gegenüberliegende Ende der Elektrodennadel 3 ist
in einem Halter 7 aufgenommen, der lösbar in das Oberteil 4 einsetzbar ist. Der
Halter 7 besitzt eine die Elektrodennadel 3 festklemmende Spannhülse 8, deren Stirnseite
als Konus ausgebildet ist, der in einen konischen Sitz des Oberteils 4 eingreift.
Hierdurch werden in axialer Richtung wirkende Spannkräfte in radiale Spannkräfte
umgesetzt, wodurch sich eine sichere Klemmung der Elektrodennadel 3 ergibt. Zur
Bewerkstelligung der erforderlichen Elastizität ist die Spannhülse 8 mit Axialschlitzen
versehen. Die Spannhülse 8 ist an einen Kopf 9 angeformt, der mit seiner dem Konus
der Spannhülse gegenüberliegenden Stirnseite an einer in das Oberteil einschraubbaren
Schraubkappe 10 anliegt. Durch Anziehen der Schraubkappe 10 wird der Konus der Spannhülse
in den zugeordneten Sitz hineingepreßt, wodurch die Elektrodennadel 3 gespannt und
ein guter elektrischer Kontakt zum Oberteil 4 hergestellt wird. Dem rückwärtigen
Ende der Elektrodennadel 3 kann ein in axialer Richtung verstellbarer Anschlag in
Form einer in eine den Kopf 10 durchsetzende Gewindebohrung eingreifenden Schraube
11 zugeordnet sein.
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Das Unterteil 5 ist werkstückseitig, d.ho auf der dem Oberteil 4 gegenüberliegenden
Seite, mit einer zentral angeordneten, die Spitze der Elektrodennadel 3 aufnehmenden
Schneiddüse 12 bestückt, die eine zentrale Dü-
senbohrung 13 aufweist.
Der aus dem Unterteil 5 herausragende Bereich der Schneiddüse 12 ist von einem Ringraum
14 umgeben, der nach außen durch eine ebenfalls am Unterteil 5 aufgenommene Schildgasdüse
15 begrenzt ist.
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Die Schneiddüse 12 ist in das Unterteil 5 eingeschraubt, das hierzu
ein mit einem Außengewinde der Schneiddüse 12 zusammenwirkendes Innengewinde aufweist,
wodurch sich ein direkter Kontakt zwischen Unterteil 5 und Schneiddüse 12 ergibt.
Die Schildgasdüse 15 ist unter Zwischenschaltung einer Isolation am Unterteil 5
aufgenommen.
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Die zwischen Unterteil 5 und Schildgasdüse 15 vorgesehene Isolation
ist als einteilige, aus keramischem Material bestehende Büchse 16 ausgebildet, die
auf das Unterteil 5 aufgeschraubt ist. Hierzu ist die Keramikbüchse 16, wie am besten
aus Fig. 2 erkennbar ist, mit einem als Innengewinde ausgebildetem Aufschraubgewinde
17 versehen, dem ein entsprechendes Außengewinde des Unterteils 5 zugeordnet ist.
Das der Schneiddüse 12 zugeordnete Innengewinde und das der Keramikbüchse 16 zugeordnete
Außengewinde des Unterteils 5 sind so einander gegenüberliegend angeordnet, daß
das Unterteil 5 mit seiner vorderen Stirnseite 18 an etwa auf derselben Höhe sich
befindenden Schultern der Schneiddüse 12 und der Keramikbüchse 16 anliegt, Hierdurch
ergibt sich eine sehr tiefe Lage der vorderen Stirnseite 18 des Unterteils 5, was
sich positiv auf die -Temperaturbeanspruchung des gesamten Brennerkopfes auswirkt,
wie weiter unten noch näher dargelegt werden wird.
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Die Schildgasdüse 15 ist als die Keramikbüchse 16 im Bereich der vorderen,
werkstückseitigen Stirnseite um-
fassende Metallhülse ausgebildet,
die durch Rastverschluß an der Keramikbüchse 16 festlegbar ist. Hierzu ist die Schildgasdüse
15 im Bereich ihrer hinteren Kante mit einer Randklaue 19 versehen, die in eine
in die Keramikbüchse 16 eingeformte, umlaufende Nut 20 einrastbar ist. Zur Bewerkstelligung
der erforderliden Elastizität ist die Schildgasdüse 15, wie am besten aus Figur
2 erkennbar ist, in ihrem hinteren Bereich mit Axialschlitzen 21 versehen, durchdie
sich die Randklaue 19 tragende Federlaschen 22 ergeben, Der Innenraum der Schneiddüse
12 wird mit Zentrumsgas in Form von Luft oder einer Argon-Wasserstoff-Mischung oder
Stickstoff beaufschlagt, das über eine im Handgriff 1 verlegte Versorgungsleitung
23, einen hiermit verbundenen Verteilerkanal 24 und hiervon abgehende Axialbohrungen
des Oberteils 4 in einen die Elektrodennadel 3 umgebenden, mit dem Innenraum der
Schneiddüse 12 in Verbindung stehenden Ringraum 25 eingeführt wird und über die
Düsenbohrung 13 der Schneiddüse 12 abströmt. Durch das über die Düsenbohrung 13
abströmende Zentrumsgas wird der beim Zünden des vorliegenden Plasmaschneidbrenners
zwischen der Spitze der Elektrodennadel 3 und der Schneiddüse 12 entstehende Pilotlichtbogen
aus der Schneiddüse 12 herausgedrückt. Nach erfolgter Zündung wird der Brennerkopf
mit der vorderen Stirn seite 26 der Schildgasdüse 15 auf das zu bearbeitende Werkstück
aufgesetzt, das an denselben Pol der Stromquelle wie das Unterteil 5 gelegt ist.
Der aus der Düsenbohrung 13 herausgedrückte Lichtbogen spingt deshalb auf das Werkstück
über0 Nachdem der Lichtbogen auf das Werkstück übergesprungen ist, wird die Verbindung
des Unterteils 5 mit der Stromquelle unterbrochen und die Stromstärke von Pilotstromstärke
auf Arbeitsstromstärke erhöht. Die vordere, auf das zu bearbeitende Werkstück
aufzusetzende
Stirnseite 26 der Schildgasdüse 15 steht über die vordere Stirnseite der Schneiddüse
12 vor, so daß sich kein direkter Kontakt zwischen Werkstück und Schneiddüse 12
ergibt. Zur Bewekstelligung eines seitlichen Gasaustritts ist die SchilQdgasdüse
15 mit im Bereich ihrer vorderen Stirnseite 26 vorgesehenen Austrittsschlitzen 27
versehen0 Das Unterteil 5 wird zum Ableiten der im Bereich der Schneiddüse 12 entstehenden
Wärme von Kühlgas durchströmt, das über eine im Handgriff 1 verlegte Versorgungsleitung
28 zugeführt wird, die mit einer in der Nähe des den Isolierring 6 zugeordneten,
unterteileitigen Sitzes angeordneten Verteilerkanal 29 verbunden ist, von dem Bohrungen
30 abgehen, die im Bereich der vorderen Stirnseite 18 des Unterteils 5 in den Ringraum
14 ausmünden. Aufgrund der tiefen Lage der vorderen Stirnseite 18 des Unterteils
5 ergibt sich eine große Lunge der Bohrungen 30 und damit eine große Kühlfläche
und eine gute Kühlwirkung. Als Kühlgas kann C02 oder Luft Verwendung finden. Die
Keramikbüchse 16 stellt eine gute elektrische und thermische Isolation der aus Metall
bestehenden Schildgasdüse 15 dar, wodurch ein Wärmefluß von der Schildgasdüse 15
zum Unterteil 5 sowie elektrischer Kurzschluß verhindert werden. Die Versorgungsleitungen
23 und 28 können durch Metallrohre gebildet werden, die gleichzeitig als elektrische
Leitungcn zum Anschluß des Oberteils 4 bzw. des Unterteils 5 an die hier nicht näher
dargestellte Stromquelle Verwendung finden können0 Die Schneiddüse 12 ist in ihrem
vorderen Bereich konisch verengt. Die Schildgasdüse 15 samt hiervon umfaßter Keramikbüchse
16 ist in dem die Schneiddüse 12 umfassenden
Bereich zur Bildung
einer großen licEbn Weite des die Schneiddüse 12 umgebenden Ringraums 14 einfach
mit einem durch eine zylindrische Bohrung 14a gebildeten Ausströmkanal versehen.
Infolge der großen lichten Weite des Ringraums 14 ist sichergestellt, daß in den
Ringraum 14 eindringende Metall spritzer zu keiner leitenden Verbindung zwischen
Schneiddüse 12 und Schildgasdüse 15 führen können.
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