DE4143273A1 - Verfahren und plasmaschneidbrenner zum plasmaschneiden von metallischen werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Stickoxidemission bei gleichzeitiger Verbesserung der thermischen Stabilität und der Schneidstrahlgeometrie eines Düsensystems zum Plasmaschneiden von metallischen Werkstoffen sowie einen entsprechend ausgebildeten Plasmaschneidbrenner.

Plasmaschneidbrenner werden zum thermischen Trennen vorwiegend flächiger Elemente insbesondere aus metallischen Werkstoffen verwendet.

Hierbei wird ein Gasstrom in einer Düse durch einen Lichtbogen geführt, hocherhitzt und ionisiert. Die Düse ist dabei in der Regel so ausgebildet, daß sie die Kathode, von der der Lichtbogen ausgeht, ringförmig umschließt.

Vielfach ist die Düse gleichzeitig die Anode oder wird zumindest als Hilfsanode zur Zündung des Plasmabrenners eingesetzt. Im letzteren Fall bildet das zu trennende Werkstück nach dem Kontakt mit dem Zündplasmastrahl die Anode.

Im Gegensatz zu Autogenschneidbrennern, bei denen die Wärme durch chemische Reaktionen erzeugt wird und bei denen die Reaktionsenergie die erreichbare Energiedichte beschränkt, ist die Energiedichte des Plasmastrahles in erster Linie vom Verhältnis der Stromstärke zum Schneidgasdurchsatz abhängig und damit in weiten Grenzen variierbar.

Dadurch, daß praktisch jedes thermisch ionisierbare Gas als Trennmedium eingesetzt werden kann und durch die Tatsache, daß der Plasmastrahl sich relativ gut bündeln läßt, sind derartige Brenner universell einsetzbar.

Insbesondere durch die in der DE-OS 38 32 630 vorgeschlagenen Mittel erzielte Verwirbelung des Plasmastrahles lassen sich sehr exakte Schnitte auch bei größeren Materialstärken erzielen.

Die dabei erzielbaren Energiedichten im Bereich der Düse bewirken jedoch durch die dabei auftretende thermische Belastung von Düse und Kathode eine unerwünschte Verkürzung der Standzeiten derartiger Brenner.

Die hohen Temperaturen, die Ionisierung des Gases und die kurze Verweilzeit des Schneidgases in diesem Zustand bewirken bei Verwendung von Luft als Schneidgas das Entstehen eines hohen Ausstoßes verschiedener, als Umweltgifte wirkender Stickoxide.

Die Bildung der Stickoxide kann durch den Einsatz von Edelgasen als Schneidgas verhindert werden. Das hat jedoch einen in vielen Fällen nicht vertretbaren Kostenanstieg zu Folge.

Bekannterweise kann auch die Erhöhung des Sauerstoffanteils in der Luft ein Zurückdrängen der Stickoxidbildung erwirken. Nachteilig ist jedoch, daß mit einer Erhöhung der Sauerstoffkonzentration auch der oxidative Angriff auf die Kathode verstärkt wird.

Durch die Erfindung sollen deshalb Mittel zur Verringerung der Stickoxidemission und zur Verbesserung der Standzeiten insbesondere durch eine Optimierung der Kühlung bereitgestellt werden.

Erfindungsgemäß geschieht das durch Einsatz von Sauerstoff- Gas-Gemischen mit Sauerstoffanteilen <20 Volumen-% als Schneidgas bei Erzeugung eines Konzentrationsgefälles im Schneidstahl und gleichzeitiger Verbesserung der Kühlung der Kathode und der Düseninnenfläche mit Hilfe des Gases, indem das Schneidgas auf den Oberflächen von Düse und Kathode adiabatisch entspannt wird.

Konstruktiv wird das Verfahren durch die in den Ansprüchen 8 bis 16 beschriebenen Anordnungen gewährleistet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird als Schneidgas überwiegend Sauerstoff eingesetzt. Das hat zur Folge, daß zusätzlich zu der dem Plasmastrahl durch den elektrischen Strom zugeführten Energie chemische Energie aus der Oxydation des Metalls erzeugt wird. Hierdurch entsteht ein mehrfach positiver Effekt.

Der Energiezuwachs durch die Oxydation gleicht zum Teil den Energieverlust des Plasmastrahls durch den Entzug der Schmelzwärme aus, so daß auch bei größeren Schnittstärken relativ gleichmäßig breite Schnitte zu erzielen sind.

Der oxidative Angriff des heißen Plasmas ist an den in das Plasma hineinragenden Unebenheiten besonders stark. Das bedeutet, daß diese weitgehend beseitigt werden.

Diese Wechselwirkung konzentriert sich, wie leicht einzusehen, jedoch nur auf die Oberfläche des rotierenden Strahles. Die inneren Bereiche haben lediglich eine Funktion als Wärmetransporteur.

Die Oxydationswirkung des Plasmaanteiles im Zentrum ist wegen des fehlenden Kontaktes zum Werkstück im Bereich der Schnittfuge untergeordnet, und kann nur bei größerer Schnittiefe, die eine Diffusion der Sauerstoffatome oder eine Durchmischung des Plasmastrahles ermöglichen, wirksam werden.

Andererseits hätte eine hohe Sauerstoffkonzentration an der Kathode, also am Punkt der Plasmabildung, zur Folge, daß der Anteil an hochenergiereichem Sauerstoff auch auf die Oberfläche der Kathode aggressiv einwirkt und einen stärkeren Abbrand der Kathodenspitze bewirken könnte.

Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß das Schneidgas über mindestens zwei unterschiedliche Wege in den Düsenraum eingeleitet.

Ein Teil des Gases, der durch seine Zusammensetzung geeignet ist, die Kathode besonders gut zu schützen, wird durch auf der Oberfläche der Kathode angeordnete tangential in den Düsenraum einmündende kathodenseitige Gasführungskanäle in den Düsenraum eingeleitet, während die zweite Komponente, die bis zu 100 Volumen-% aus Sauerstoff bestehen kann, über die düsenseitigen Gasführungskanäle zugeführt wird.

Damit entsteht an der Spitze der Kathode ein relativ wenig oxydierendes, bereits um die Systemachse rotierendes Plasma, das im unteren bzw. dem Werkstück zugewandten Teil des Düsenraumes mit der kalten oxydativen Komponente umhüllt wird. Dadurch, daß sich dieser Mantel erst beim Verlassen des Düsenraumes auf seine Maximaltemperatur aufheizt, ist auch der Verschleiß der Düse in vertretbaren Grenzen.

Die bei der adiabatischen Entspannung auftretende Abkühlung des Gases wird an Ort und Stelle zu Kühlung der Oberflächen von Kathode und Düse genutzt. Zur exakten Führung des Entspannungsvorganges sind Gasführungskanäle auf den Oberflächen von Kathode und Düse eingearbeitet.

Abhängig vom Gasdurchsatz erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Gasführungskanäle vom Rand der Kathode zur Mitte in ihrem Querschnitt verjüngt werden.

Die Gasführungskanäle, die unter einem Winkel von 20° bis 50° zum Radius angeordnet werden, erfüllen drei Aufgaben.

Durch ihren exakt bestimmbaren Querschnitt läßt sich der Verlauf der Gasführung so steuern, daß der Kühleffekt möglichst nahe an die Spitze der Kathode herangeführt wird.

Die Einarbeitung der Gasführungskanäle in die Oberfläche der Kathode vergrößert deren Oberfläche und verbessert damit den Wärmeübergang zwischen Schneidgas und Kathode.

Durch die Anordnung der Gasführungskanäle unter dem obengenannten Winkel wird das Plasma in eine gleichmäßige Rotation versetzt, die gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Verwirbeln des Plasmagases eine sauberere Strahlgeometrie und damit exaktere Schnitte ermöglicht.

Insbesondere bei der Ausführung der Gasführungskanäle in einem sägezahnförmigen Querschnitt kann eine gute Laminarität des Gasstromes im Bereich der Gasführungskanäle erzielt werden, was zur exakten Schnittführung nicht unwesentlich beiträgt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren und ein Plasmaschneidbrenner zur Verbesserung der thermischen Stabilität und der Schneidstrahlgeometrie eines Düsensystems zum Plasmaschneiden von metallischen Werkstoffen soll im folgenden an Hand eines in der Fig. 1 grobschematisch dargestellten Plasmaschneidbrenners erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Plasmaschneidbrenner.

Ein für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbesserung der thermischen Stabilität und der Schneidstrahlgeometrie eines Düsensystems zum Plasmaschneiden von metallischen Werkstoffen verwendeter Schneidbrenner besteht aus einer überwiegend zylindrischen Kathode 1, die in eine konische Kathodenspitze ausläuft.

Der Innenraum der Kathode 1 ist zweckmäßigerweise mit einer bekannten und deshalb nicht dargestellten Flüssigkeitskühlung versehen. Zur Verbesserung des Stromüberganges von der Kathode 1 in das Plasma ist in die Spitze der Kathode 1 ein ebenfalls bekannter Kathodenstift (schwarz gezeichnet) eingelassen.

In die Oberfläche der kegelförmigen Spitze der Kathode 1 sind weiterhin unter einem Winkel von 30° zum Radius der Kathode 1 kathodenseitige Gasführungskanäle 8 mit einem sägezahnförmigen Querschnitt eingearbeitet.

So wie sich die Breite der kathodenseitigen Gasführungskanäle 8 mit der Annäherung an die Spitze zwangsläufig verringert, nimmt auch deren Tiefe ab. Die Kathode 1 wird von einer Isolierbuchse 3 umschlossen, die in ihrer Form hauptsächlich der Oberfläche der Kathode 1 folgt.

Dabei hat die Isolierbuchse 3 im Bereich des zylindrischen Teiles der Kathode 1 einen gleichmäßigen Abstand der Kathode 1, während sie im Bereich der Kathodenspitze auf den zwischen den kathodenseitigen Gasführungskanälen 8 vorhandenen Stegen aufliegt.

Der im Bereich des zylindrischen Teiles der Kathode 1 gebildete Zwischenraum dient als innerer Gasringraum 6.

Die Isolierbuchse 3 wird unter Ausbildung eines äußeren Gasringraumes 7 von der Düse 2 umschlossen, zu deren Befestigung eine diese umfassende Düsenkappe 10 dient.

Auf der konischen Innenfläche der Düse 2 sind ebenso wie auf der Spitze der Kathode 1 düsenseitige Gasführungskanäle 9 mit ebenfalls sägezahnförmigem Querschnitt angeordnet.

Dabei ist es sinnvoll, diese düsenseitigen Gasführungskanäle 9 nicht direkt in die Innenfäche der Düse 2 einzuarbeiten, sondern zwischen Düse 2 und Isolierbuchse 3 ein konisches Gasführungsteil 4 einzulegen, in dessen Oberfläche die düsenseitigen Gasführungskanäle 9 eingearbeitet sind. Eine zylindrische Öffnung in Düse 2, Gasführungsteil 4 und Isolierbuchse 3 bildet den Düsenraum 5.

Zum Schneiden von metallischen Werkstoffen werden diese als Anode geschaltet. Ein Schneidgas 1, bestehend aus 40% Sauerstoff und 60% Stickstoff, wird über eine erste Gaszuführung dem inneren Gasringraum 6 zugeleitet.

Von dort aus strömt es durch 20 kathodenseitige Gasführungskanäle 8 in den Düsenraum 5.

Die durch die Entspannung des Gases in den kathodenseitigen Gasführungskanälen 8 erzielte Abkühlung bewirkt, zusammen mit einer bekannten in der Kathode 1 vorhandenen Wasserkühlung, daß die Temperatur der Kathode 1 in solchen Grenzen gehalten wird, die einen oxidativen Angriff auf die Kathode 1 durch das erhitzte Plasma verhindern.

Über den äußeren Gasringraum 7 und die düsenseitigen Gasführungskanäle 9 wird dem Düsenraum 5 ein Schneidgas 2 aus technisch reinem Sauerstoff zugeführt.

Die Volumina der Schneidgase 1 und 2 verhalten sich hierbei zueinander wie 1 : 2.

Die dadurch bedingte höhere Eintrittsgeschwindigkeit des Schneidgases 2 bewirkt eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Plasmastrahls.

Da auch das Schneidgas 2 in den düsenseitigen Gasführungskanälen 9 entspannt wird, bewirkt es einerseits eine Kühlung der Düse 2. Zum anderen wird hierdurch eine "kalte" Oberfläche des Plasmastrahles erzeugt, die sich erst nach Verlassen des Düsenraumes 5 soweit erhitzt, daß der gewünschte Metallabtrag damit erreicht werden kann.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Kathode
 2 Düse
 3 Isolierbuchse
 4 Gasführungskörper
 5 Düsenraum
 6 innerer Gasringraum
 7 äußerer Gasringraum
 8 kathodenseitige Gasführungskanäle
 9 düsenseitige Gasführungskanäle
10 Düsenkappe

Claims (16)

1. Verfahren zum Plasmaschneiden von metallischen Werkstoffen mit verringerter Stickoxidemission bei gleichzeitiger Verbesserung der thermischen Stabilität des Düsensystems und der Schneidstrahlgeometrie, dadurch gekennzeichnet, daß als Schneidgas überwiegend Sauerstoff in einer Mischung mit einem inerten Gas eingesetzt wird, wobei der Sauerstoffgehalt im Kern des Plasmastrahles zur Oberfläche unterschiedlich ist, daß weiterhin der Düse dazu mindestens zwei Gase oder Gasgemische unterschiedlicher Zusammensetzung so zugeführt werden, daß sie in unterschiedlichem Abstand zur Kathodenspitze tangential mit hoher Geschwindigkeit in den Düsenraum einströmen, wobei eine zusätzliche Kühlung von Kathode und Düse dadurch erfolgt, daß das Schneidgas in auf der Oberfläche der Kathode und der Innenfläche der Düse verlaufenden Gasführungskanälen adiabatisch entspannt und beschleunigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt im Mantel des Plasmastrahls höher als im Kern ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt im Mantel des Plasmastrahls niedriger als oder gleich wie im Kern ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Stickstoff eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas ein Edelgas eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas ein Gemisch von Edelgasen eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas in den einzelnen Ebenen unterschiedliche Gase eingesetzt werden.

8. Plasmaschneidbrenner zur Realisierung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche aus einer vorwiegend zylindrischen, zur Brennerdüse in einer Spitze unter einem Winkel zwischen 50° und 120° konisch endenden Kathode und einem diese umschließenden Isolierstück und einer Düse, bei der eine Gaszuleitung in einen ringförmig die Kathode umschließenden inneren Gasringraum (6) mündet, der mit kathodenseitigen Gasführungskanälen (8) verbunden ist, die auf der kegelförmigen Oberfläche der Kathode (1) verlaufen und im Düsenraum (5) enden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (6) zwischen Kathode (1) und Isolierbuchse (3) angeordnet ist, sowie daß mindestens ein zweiter äußerer Gasringraum (7) vorhanden ist, der eine separate Gaszuführung besitzt und zwischen Düse (2) und Isolierbuchse (3) angeordnet ist, der mit auf der Innenfläche der Düse (2) verlaufenden und unterhalb der kathodenseitigen Gasführungskanäle (8) in den Düsenraum (5) mündenden, düsenseitigen Gasführungskanälen (9) verbunden ist.

9. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenseitigen Gasführungskanäle (9) in die konische Innenfläche der Düse (2) eingearbeitet sind.

10. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenseitigen Gasführungskanäle (9) in die konische Außenfläche der Isolierbuchse (3) eingearbeitet sind.

11. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Düse (2) und Isolierbuchse (3) ein Gasführungskörper (4) angeordnet ist, in dessen Außenfläche die düsenseitigen Gasführungskanäle (9) eingearbeitet sind.

12. Plasmaschneidbrenner nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasführungskanäle (8 und 9) einen geometrisch exakt bestimmten Querschnitt aufweisen, und so angeordnet sind, daß sie sich vom äußeren Rand unter einem Winkel zwischen 20° und 50° zum Radius des Düsenraumes (5) überwiegend spiralförmig zur Spitze der Kathode (1) bzw. der Düse (2) erstrecken und mehr als 50% der kegelförmigen Oberflächen der Kathode (1) bzw. der Düse (2) einnehmen.

13. Plasmaschneidbrenner nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kathodenseitigen Gasführungskanäle (8) und die düsenseitigen Gasführungskanäle (9) in einem unterschiedlichen Winkel zum Radius des Düsenraumes (5) angeordnet sind.

14. Plasmaschneidbrenner nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Gasführungskanäle (8 und 9) überwiegend die Form eines Dreiecks aufweist.

15. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Gasführungskanäle (8 und 9) überwiegend die Form eines Dreiecks mit ungleichen Schenkeln aufweist, wobei der kürzere Schenkel auf der Außenseite der durch die Gasführungskanäle (8 und 9) beschriebenen Spiralen liegt.

16. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Gasführungskanäle (8 und 9) in Richtung Düsenraum (5) verjüngt ist.