DE4138897C2 - Plasmaschneidbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmaschneidbrenner.

Derartige Brenner dienen zum Trennen von Metallen. Dabei wird ein aus einem Gas bestehender Plasmastrahl verwendet, der mittels eines elektromagnetischen Feldes in den ionisierten Zustand versetzt und durch einen elektrischen Lichtbogen geschickt wird. Der elektrische Lichtbogen wird zwischen der Elektrode und der Brennerdüse gezündet, und zwar durch Kontakt zwischen beiden oder über ein Hochfrequenzsystem. Der aus dem Brenner austretende Plasmastrahl schneidet dann den Werkstoff.

Es sind Brenner bekannt, bei denen der elektrische Lichtbogen dadurch gezündet wird, daß die Elektrode durch die Druckkraft des zu ionisierenden Gases von der Düse wegbewegt wird, wobei das Gas gegen eine Druckfläche an der Elektrode wirkt, die sich am vorderen Ende der Elektrode innerhalb einer Kammer befindet, die durch das zu ionisierende Gas unter Druck gesetzt ist. Derartige Brenner haben den Nachteil, daß sie aufgrund der komplexen Ausbildung der Teile, die den Verschiebemechanismus für die Elektrode bilden, verhältnismäßig kompliziert konstruiert sind. Daraus ergibt sich der weitere Nachteil, daß sich aufgrund der ständigen Benutzung ein übermäßiges Spiel zwischen den Einzelteilen bildet, das die Funktionsgenauigkeit des Brenners beeinträchtigt.

Gegenstand der US-PS 3 242 305 ist ein Plasmaschneidbrenner mit einer an ein Gehäuse angeschlossenen Zuführleitung für Druckgas und einem zentralen, in einer Hülse des Gehäuses längsver­ schieblich gelagerten Stab. Dieser trägt an seinem vorderen Ende eine Elektrode, die in eine Diffusionskammer einer Düse eingreift und im Ruhezustand des Brenners an dieser durch Federkraft anliegt. Der Stab hat einen als Kolben wirkenden, ringförmigen Bund, der innerhalb einer Druckkammer des Gehäuses gegen die Kraft der Feder verschiebbar ist.

Bei diesem Brenner erfolgt die Zündung des Lichtbogens durch ein Zurückschieben der Elektrode, um dadurch den Kontakt zwischen dieser und der als Anode wirkenden Düse zu unterbrechen. Dem Brenner werden zwei Medien zugeführt, nämlich einerseits Kühl­ wasser zur Kühlung der heißen Zonen im Bereich der Düse und andererseits Gas zur Bildung des Plasmas. Bei einer ersten Variante wird das Kühlwasser so durch den Brenner geführt, daß es im Bereich der Spitze wieder nach hinten umgelenkt wird, um dann in die Druckkammer zu strömen, wo ein Druck zum Verschieben der Elektrode aufgebaut wird. Bei einer zweiten Variante werden zwei Medien (Gas und Wasser) benötigt, wobei hier der Gasdruck zunächst die Elektrode nach vorn schiebt, bis diese in Kontakt mit der Düse kommt; danach muß der Gasdruck reduziert werden, so daß der Wasserdruck in der Druckkammer die Elektrode mit Unterstützung einer Druckfeder wieder zurückschiebt.

Sowohl aus der EP 110 735 A2 als auch aus der GB 21 92 821 A sind Schweißbrenner mit starrer Elektrode bekannt, die relativ zur Düse nicht verschoben werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmaschneid­ brenner zur Verfügung zu stellen, der mit einem einzigen Medium betrieben wird und dessen Elektrodenverschiebung für die Zündung des Lichtbogens mit konstruktiv äußerst einfachen Mitteln be­ werkstelligt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei diesem Plasmaschneidbrenner erfüllt das Druckgas eine drei­ fache Funktion, die darin besteht, daß unmittelbar im Anschluß an die Stromzufuhr das einströmende Druckgas die Kathodenelektrode zurückzieht und zur Bildung des Plasmas im Lichtbogen zur Verfügung steht, wobei ein Teil des Druckgases so abgezweigt wird, daß es einen Kühlmantel für die Düse bildet. Konstruktionsaufbau und Funktion des Brenners werden dadurch erheblich vereinfacht, wobei eine Feinabstimmung nicht erforderlich ist.

Insbesondere die Ansprüche 4 und 5 betreffen eine sehr vor­ teilhafte Ausgestaltung des Schneidbrenners, weil mit der Nut­ mutter ein Steuerelement für die Betätigung des Schalters zur Verfügung steht, wodurch die Sicherheit bei der Handhabung des Schneidbrenners außerordentlich verbessert wird.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel er­ läutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Plasmaschneidbrenner im nicht aktiven Zustand und

Fig. 2 den Brenner der Fig. 1 während des Betriebs, wobei ein Plasmastrahl abgegeben wird und die Elektrode bezüglich der Düse zurückgezogen ist.

Wie Fig. 1 zeigt, hat der insgesamt mit 1 bezeichnete Brenner eine Elektrode 2, die mittels eines Gewindes 4 am vorderen Ende eines mittig angeordneten Stabes 3 befestigt ist. Selbstverständlich kann statt des Gewindes 4 eine andere mechanische Verbindung vorgesehen sein. Der Stab 3 ist koaxial innerhalb einer Hülse 5 und eines Isolierkörpers 7 gelagert, die koaxial zueinander fluchtend angeordnet sind. Am vorderen Ende der Hülse 5 ist eine Düse 8 angebracht, und zwar durch Zwischenschaltung eines isolierenden, ringförmigen Diffusors 9, der als Verbindungsorgan dient. Die Düse 8 befindet sich außerhalb der Elektrode 2 und ist koaxial zu dieser angeordnet, wobei die Düse 8 und die Elektrode 2 eine Diffusionskammer 10 bilden, die das Gas nach der Ionisierung über eine in die Düse 8 eingearbeitete Öffnung 11 nach außen abgibt.

Außerhalb des Isolierkörpers 7 und der Hülse 5 ist koaxial zu beiden ein Hauptkörper 12 angebracht, auf dessen vorderes Ende über ein Gewinde 13 eine äußere, isolierte Buchse 14 aufgeschraubt ist. In das hintere Ende des Hauptkörpers 12 ist ein ringförmiger Isolierflansch 40 eingesetzt, der seinerseits auf dem hinteren Ende 41 des Stabes 3 befestigt ist. In den Isolierflansch 40 ist ein zylindrischer Sitz 42 eingearbeitet, in welchen eine das hintere Ende 41 des Stabes 3 umschließende Feder 6 eingesetzt ist, die die Elektrode 2 nach vorn in Berührung mit der Düse 8 drückt.

Im Bereich des hinteren Endes des Brenners 1 ist eine Druckkammer 16 ausgebildet, die begrenzt ist durch den Stab 3, den Isolierkörper 7, das hintere Ende der Hülse 5 und den Isolierflansch 40. In die Druckkammer 16 gelangt das zu ionisierende Gas durch eine Zuführleitung 43 und eine Bohrung 44, die radial in den Isolierkörper 7 eingearbeitet ist. Die Druckkammer 16 ist über eine Reihe von Kanälen 18, welche in Längsrichtung in den Isolierkörper 7 eingearbeitet sind, in Verbindung mit einem Sammelraum 22, der sich im Zwischenraum zwischen der Hülse 5 und dem Hauptkörper 12 befindet. Das vordere Ende dieses Sammelraumes 22 ist über radiale Kanäle 23, die in den ringförmigen Diffusor 9 eingearbeitet sind, mit der Diffusionskammer 10 und über weitere Kanäle 24, die in die isolierte Buchse 14 eingearbeitet sind, mit einer äußeren Kühlzone 65 in Verbindung, die sich zwischen der Düse 8 und der äußeren Buchse 14 befindet.

Innerhalb der Druckkammer 16 hat der Stab 3 einen ringförmigen Bund 50 mit zwei Durchmessern 51 und 52, die größer als der Durchmesser 53 des Stabes 3 sind. Diese beiden Bundabschnitte bilden dadurch Ringflächen 54 bzw. 55, die orthogonal zur Längsachse des Stabes 3 verlaufen und gegen die der Druck des zu ionisierenden Gases wirkt, das durch die Zuführleitung 43 und die Bohrung 44 in die Druckkammer 16 gedrückt wird.

Am hinteren Ende des Stabes 3 ist schließlich eine Nutmutter 60 befestigt, deren äußeres Profil 61 gegen einen Mikroschalter 62 wirkt, der mit einer nicht gezeigten, elektrischen Steuerzentrale verbunden ist, um in Abhängigkeit von den Stellungen der Nutmutter 60 relativ zu dem Mikroschalter 62 ein elektrisches Kabel 63 mit elektrischer Energie zu versorgen bzw. diese zu unterbrechen.

Für den Betrieb des Brenners ist es unerläßlich, daß die äußere, isolierte Buchse 14 auf den Hauptkörper 12 aufgeschraubt ist. Dadurch drückt ein Anschlag 45 der Buchse 14 gegen die Düse 8, wodurch der Stab 3 so weit zurückgedrückt wird, daß zwischen der Ringfläche 54 und der inneren Längswand des Isolierkörpers 7 eine Ringöffnung 100 offengehalten wird, und zwar sowohl im Ruhezustand als auch im Betriebszustand des Brenners 1.

Aufgrund der Ringöffnung 100 ist die Druckkammer 16 niemals verschlossen, da sie einerseits über die Bohrung 44 mit der Zuführleitung 43 für das Gas und andererseits mit der Atmosphäre verbunden ist, und zwar über die in Längsrichtung verlaufenden Kanäle 18, die in den Sammelraum 22 münden, welcher seinerseits über die radialen Kanäle 23 mit der Diffusionskammer 10 verbunden ist, die über in die Elektrode 2 eingearbeitete Einschnitte 90 und über die Öffnung 11 mit der Atmosphäre verbunden ist. Wie Fig. 1 zeigt, beaufschlagt das Profil 61 der Nutmutter 60 den Mikroschalter 62, wodurch dessen Kontakt geschlossen wird und dadurch über die Schaltstation das Kabel 63 mit Strom versorgt wird.

Wenn die Buchse 14 nicht eingeschraubt ist, wird der Mikroschalter 62 von der Nutmutter 60 nicht betätigt, da der Stab 30, mit dem die Nutmutter 60 verbunden ist, durch die Feder 6 nach vorn gedrückt wird, so daß kein Befehl zur Stromversorgung des Kabels 63 erfolgt. Damit steht eine Sicherheitsmaßnahme zur Verfügung, die eine unbeabsichtigte Zündung des Brenners verhindert, wenn die Buchse 14 nicht aufgesetzt ist. Der Betrieb des Brenners 1 wird eingeleitet, wenn über die Zuführleitung 43 und die Bohrung 44 ein Gasstrom 27 in die Druckkammer 16 gelangt. Gleichzeitig wird auch der elektrische Schaltkreis geschlossen, so daß ein Strom zwischen der Elektrode 2 und der Düse 8 fließt. Die Elektrode 2 wirkt als Kathode, während die Düse 8 als Anode arbeitet. Der Druck des Gases 27 wirkt auf die Ringfläche 54 des ringförmigen Bundes 50 des Stabes 3, wodurch dieser horizontal in Richtung des Pfeiles 28 verschoben wird, sobald die auf die Ringfläche 54 einwirkende Druckkraft die elastische Gegenkraft der Feder 6 übersteigt.

Wenn der Stab 3 beginnt, sich zurückzubewegen, wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Elektrode 2 und der Düse 8 gezündet, während das Gas von der Druckkammer 16 über die in Längsrichtung verlaufenden Kanäle 18 in den Sammelraum 22 strömt. Das zu ionisierende Gas gelangt über den Sammelraum 22 und den Kanal 23 in den ringförmigen, isolierenden Diffusor 9 und von dort in die Dif­ fusionskammer 10. Aus dieser strömt ein Teil des Gases als Plasmastrahl 59 aus der Öffnung 11 heraus, während ein anderer Teil über einen weiteren Kanal 24 aus der Kühlzone 65 abströmt, dabei die Außenfläche 64 der Düse 8 umströmt und diese dadurch kühlt. Solange der Gasstrom 27, der in die Druckkammer 16 gelangt, die Druckeinwirkung auf den Ringbund 50 aufrechterhält, ist durch die Öffnung 11 hindurch ein kontinuierlicher Plasmastrahl 59 vorhanden, der die Fortsetzung der Schneidoperation gewährleistet.

Wenn der Gasstrom 27 unterbrochen wird, fällt der Druck am Ringbund 50 ab, so daß die elastische Kraft der Feder 6 überwiegt. Die Feder 6 dehnt sich somit aus und drückt den Stab 3 mit der daran befestigten Elektrode 2 gegen die Düse 8. Dadurch erlischt der Lichtbogen, so daß der Brenner 1 seine in Fig. 1 gezeigte Ruheposition einnimmt.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß der Brenner gemäß der Erfindung aus einer Zahl von Einzelteilen besteht, die wesentlich geringer als bei entsprechenden Brennern bekannter Bauart mit analogen Eigenschaften ist. Dadurch ist auch die Zahl der bewegten Teile verringert, was sich günstig auf den Verschleiß auswirkt. Somit verändern sich die Betriebseigenschaften des Brenners über seine Lebensdauer hinweg nicht in merklicher Weise.

Claims (6)

1. Plasmaschneidbrenner mit

• - einem mittig angeordneten Stab (3), der an seinem vorderen Ende eine Elektrode (2) aufweist,
• - einer Hülse (5) für die Verschiebeführung des Stabes (3), die an ihrem hinteren Ende mit einem hohlen Isolierkörper (7) verbunden ist,
• - einem ringförmigen Isolierflansch (40), der am hinteren Ende des Isolierkörpers (7) vorgesehen ist,
• - einer Feder (6) zur Verschiebung des Stabes (3), welche am hinteren Ende (41) des Stabes (3) und in einem Sitz (42) vorgesehen ist, der in den Isolierflansch (40) eingearbeitet ist,
• - einer koaxial außerhalb der Elektrode (2) angeordneten Düse (8), die sich unter Zwischenschaltung eines ringförmigen, isolierenden Diffusors (9) am vorderen Ende der Hülse (5) abstützt,
• - einer äußeren, isolierten Buchse (14), die koaxial auf den Hauptkörper (12) des Brenners (1) aufgesetzt ist und dabei die Düse (8) fixiert,
• - einer Diffusionskammer (10) zwischen der Elektrode (2) und der Düse (8),
• - einer Kühlzone (65) zwischen der äußeren Oberfläche der Düse (8) und der dieser gegenüberliegenden Fläche der äußeren, isolierten Buchse (14),

mit den weiteren Merkmalen, daß der mittig angeordnete Stab (3) in der Nähe seines hinteren Endes einen ringförmigen Bund (50) mit einer oder mehreren, ebenen Ringflächen (54, 55) aufweist, die orthogonal zur Längsachse des mittig angeordneten Stabes (3) verlaufen, wobei dieser Bund (50) innerhalb einer im Isolierkörper (7) ausgebildeten Druckkammer (16) verschiebbar ist, welche begrenzt ist durch das hintere Ende dem Hülse (5) und das vordere Ende des ringförmigen Isolierflansches (40) und in welche über eine Zuführleitung (43) das zu ionisierende Druckgas strömt, dessen Druckkraft gegen die ebenen Ringflächen (54, 55) des Bundes (50) wirkt und dadurch des Stab (3) verschiebt und die Elektrode (2) von der Düse (8) zur Zündung eines Lichtbogens wegbewegt,
und daß das Druckgas aus der Druckkammer (16) über einen Kanal (18) in einen Sammelraum (22) des Hauptkörpers (12) strömt, der über Kanäle (23) mit der Diffusionskammer (10) der Düse (8) und über weitere Kanäle (24) mit der Kühlzone (65) an der Außenseite der Düse (8) verbunden ist.

2. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Diffusionskammer (10) führenden Kanäle (23) in dem Diffusor (9) ausgebildet sind.

3. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (50) stufenförmig mit zwei Durchmessern (51, 52) ausgebildet ist, so daß zwei flache, radiale Ringflächen (54, 55) gebildet sind, die von dem Druckgas beaufschlagt werden.

4. Plasmaschneidbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf das hintere Ende des Stabes (3) eine Nutmutter (60) aufgesetzt ist, deren Außenfläche ein in axialer Richtung abgestuftes Profil (61) zur Steuerung eines Schalters (62) für die Stromzufuhr des Brenners hat.

5. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht vollständig aufgesetzter Außenbuchse (14) für die Fixierung der Düse (8) das Profil (61) der Nutmutter (60) den Schalter (62) öffnet.