DE60011643T2

DE60011643T2 - Vorrichtung und verfahren zum schneiden oder schweissen eines werkstückes

Info

Publication number: DE60011643T2
Application number: DE60011643T
Authority: DE
Inventors: A. Nicholas SANDERS; W. Richard COUCH; Yong Yang; Zhipeng Lu; Robert C. Dean; J. Kenneth WOODS; M. Charles HACKETT; John Sobr; William J. Connally
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: JP2003509223A; US20040164058A1; US20030121894A1; WO2001021362A2; AU3886401A; EP1218152B1; EP1218152A2; CA2385874C; KR100658247B1; CA2385874A1; KR20020053062A; US6720518B2; US6525291B1; US7049540B2; US6713709B2; US20030121893A1; WO2001021362A3; DE60011643D1

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität von der US-Provisional-Anmeldung Nr. 60/155,078, die am 21. September 1999 unter dem Titel "Process and Apparatus For Cutting Or Welding A Workpiece" eingereicht wurde.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden oder Schweißen eines Werkstücks.
Hintergrund der Erfindung
Sauerstoffbrennschneiden, Plasmaschneiden und Laserschneiden sind drei Hauptverfahren, die eingesetzt werden, um ein metallisches Werkstück thermisch zu schneiden. Sauerstoffbrennschneiden wird hauptsächlich verwendet, um Weichstahl zu schneiden, wobei die Vorzüge der exothermen Brennreaktion von Sauerstoff und Eisen eingesetzt werden, um das Schneiden zu machen. Bei diesem Verfahren wird die Reaktionsrate und die sich ergebende Schnittrate durch die Diffusionsraten der Reaktanten und das Scheren des Gasjets auf das flüssige Metall bestimmt, um es aus dem Schnitt zu entfernen. Zum Schneiden eines Weichstahlwerkstücks mit einer Dicke in dem Bereich von ungefähr 10 mm bis ungefähr 12 mm liegen typische Schnittgeschwindigkeiten im Bereich von ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,5 m/min. Schnittfugenbreiten variieren von ungefähr 1 mm bis mehr als ungefähr 3 mm.
Beim Plasmaschneiden wird die Energie, die zum Schneiden eines Werkstücks verwendet wird, von einem mit einem elektrischen Bogen erwärmten Plasmagasjet zugeführt, der auf das Werkstück gerichtet ist, und mit dem Werkstück in Kontakt gebracht wird.
Die Plasmaschneidetechnik funktioniert bei allen Art elektrisch-leitenden Materialien und hat daher einen weiteren Anwendungsbereich als Sauerstoffbrennschneiden. Typische Plasmabogentemperaturen sind größer als 6000°C. Während des Plasmaschneidens wird Metall von dem Werkstück aus der Schnittfuge durch das Scheren des Plasmabogenjets sehr hoher Geschwindigkeit entfernt. Typische Schnittgeschwindigkeiten für Plasmaschneiden sind größer als die von Sauerstoffbrennschneiden. Eine typische Schnittgeschwindigkeit zum Schneiden von 1/2"-Weichstahl mit Sauerstoffbrennmitteln beträgt ungefähr 16 Inch/min; wohingegen ein 200 A Plasmasystem typischerweise das Material gleicher Größe mit 80 Inch/min schneiden würde. Schnittfugenbreiten beim Plasmaschneiden haben ungefähr die gleiche Größe oder sie sind größer als die beim Sauerstoffbrennschneiden. Die relativ große Schnittfugenbreite hat einen nachteiligen Einfluß auf die Präzision des Plasmaschneideverfahrens.
Beim Laserschneiden wird die Energie, die verwendet wird, um ein Werkstück zu schneiden, von einem Laserstrahl geliefert, der auf das Werkstück gerichtet ist und damit in Kontakt gebracht wird. Material wird aus der Schnittfuge durch den Schub von einem Hilfsgasjet entfernt, der in die Schnittfuge gerichtet ist. Beim Laserschneiden sind die Schnittfugenbreiten eng. Schnittfugenbreiten liegen typischerweise im Bereich von ungefähr 0,15 mm bis ungefähr 0,5 mm. Diese engen Schnittfugenbreiten machen folglich ein Schneiden höherer Präzision, als es mit entweder Sauerstoffbrenn- oder Plasmaschneiden möglich ist. Jedoch wird es beim Laserschneiden schwierig, das geschmolzene Metall aus der Schnittfuge zu entfernen, wenn die Dicke des Werkstücks zunimmt. Dieses begrenzt die Schnittgeschwindigkeit und die Fähigkeit der maximalen Dicke für Laserschneiden. Man glaubt, daß der Grund für diese Beschränkung darin liegt, daß die hohe Gasgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um einen hinreichenden Gasschub zu erreichen, Ultraschallschockwellen ein paar Millimeter in die Schnittfuge erzeugt. Diese Schockwellen begrenzen den Gasschub und seine Fähigkeit, Metall zu entfernen.
Ein viertes Verfahren zum thermischen Schneiden eines Werkstücks ist in dem US-Patent 5 288 960 offenbart. Bei diesen thermischen Schneideverfahren wird ein flüssiger Metallstrom hoher Temperatur auf das Werkstück gerichtet und trifft darauf auf. Die Temperatur des Stroms übersteigt die Schmelztemperatur des Werkstücks. Das Problem des Entfernens des geschmolzenen Metalls aus der Schnittfuge wegen des begrenzten Gasschubs, der beim Laserschneiden auftritt, ist somit durch die Verwendung eines Mediums (d.h. einer Flüssigkeit) mit einer höheren spezifischen Dichte überwunden. Im Vergleich zu dem Laserschneiden können höhere Schnittgeschwindigkeiten, die Fähigkeit für dickere Werkstücke und äquivalente Schnitte hoher Präzision mit diesem Flüssigmetallstromschneideansatz realisiert werden. Jedoch war dieser Ansatz wegen der Notwendigkeit, einen flüssigen Strom hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück zuzuführen, bei einer Temperatur, größer als dem Schmelzpunkt des Werkstücks, in seiner Verwendung für das Schneiden eines bestimmten Metalls eingeschränkt. Die Materialanforderungen für einen Hochtemperatur-, Hochdruck-, Flüssigkeiteinschließungskessel begrenzen die Praktikabilität zum Schneiden von Metallen, wie z.B. Aluminium, Edelstahl und Weichstahl erheblich ein, wo typische Schmelztemperaturen 660°C, 1400°C bzw. 1550°C betragen.
Verschiedene Verfahren werden eingesetzt, um ein Werkstück thermisch zu schweißen. Die am weitesten verbreitet eingesetzten Schweißverfahren verwenden Hitzequellen, um ein lokalisiertes Erwärmen von zwei oder mehr Werkstücken zu bewirken, um es ihnen zu ermöglichen, zu schmelzen und zusammenzufließen. Ein Füllmaterial wird im Allgemeinen zu dem Schweißgebiet zugefügt, um genügend Material zuzuführen, um die Verbindung zu füllen, und um die mechanische Stabilität zu verstärken. Zum Beispiel bildet eine gefüllte Schweißnaht im Allgemeinen einen radialen Sektor zusätzlichen Materials über eine Schweißnaht, wenn sie fertiggestellt ist. Wenn der Schweißvorgang voranschreitet, bildet sich ein geschmolzenes Bad des Werkstücks, und ein Füllmaterial wird entlang der Schweißfront bewegt. Wenn die Heizquelle zum Schweißen entfernt wird, erhärtet sich das geschmol zene Metall, und die Teile werden zusammengeschmolzen oder zusammengeschweißt. Übliche Hitzequellen, die verwendet werden, um Hitze bereitzustellen, um die Werkstücke zu schmelzen, sind elektrische DC- oder AC-Bögen, Sauerstoff-Brenngasflammen und Laserstrahlen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Fluidstrom sehr hoher Energiedichte bereitzustellen, der bei Materialbearbeitungsverfahren eingesetzt werden kann. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Schneiden von Werkstücken mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision über einem großen Bereich von Werkstücken anzugeben. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Schweißen von Werkstücken mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision anzugeben. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, nichtmetallische und/oder nicht-leitfähige Materialien thermisch zu schneiden und/oder zu schweißen. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden und/oder Schweißen anzugeben, die in der Struktur einfach, leicht zu bedienen und zu warten und kosteneffektiv im Gebrauch ist.
Gemäß einem Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein System zum Modifizieren eines Werkstücks gemäß Anspruch 1. Das System umfaßt einen Spender und eine Leistungsquelle. Der Spender umfaßt ein elektrisch-leitfähiges Material zum Bilden eines Strahlstroms. Die Leistungsquelle ist elektrisch an den Strahlstrom gekoppelt.
Vorzugsweise umfaßt der Spender einen Düsenkopf. Zum Beispiel kann der Düsenkopf einen Tiegel umfassen. Ein Heizer kann an den Tiegel gekoppelt sein. Der Heizer kann einen AC-Widerstandsheizer, einen DC-Widerstandsheizer, einen Induktionsheizer oder eine Verbrennungsbrennerheizungsanordnung auf weisen. Der Heizer kann eine Induktionsheizerspule umfassen, die um den Tiegel gewickelt ist. Bei einem Beispiel hat die Induktionsheizerspule, die um ein erstes Ende des Tiegels gewickelt ist, eine dichter gepackte Beziehung als die Induktionsspule, die um ein zweites Ende des Tiegels gewickelt ist. Bei einem anderen Beispiel hat die Induktionsheizerspule, die um ein erstes Ende des Tiegels gewickelt ist, einen kleineren Durchmesser als die Induktionsspule, die um ein zweites Ende des Tiegels gewickelt ist. Das System kann ferner eine druckmindernde Entlüftung umfassen, die in Verbindung mit dem Druckeinschlußbehälter steht. Der Tiegel kann ein feuerfestes Material aufweisen. Zum Beispiel kann der Tiegel ein Material aufweisen, das aus Zirkoniumdiborid, Aluminium, Zirkonium, Bornitrid und Graphit ausgewählt ist. Das leitfähige Material zum Formen des Strahlstroms kann ein Metall umfassen.
Der Düsenkopf kann einen Einlaß zum Empfangen eines Zufuhrvorrats des leitfähigen Materials umfassen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Düsenkopf mehrere Einlässe zum Empfangen mehrerer Zufuhrvorräte des leitfähigen Materials umfassen. Der Düsenkopf kann des Weiteren ein Zufuhrvorratsventil umfassen. Der Düsenkopf kann einen Druckeinschlußbehälter und einen Heizer umfassen, der in dem Druckeinschlußbehälter angeordnet ist. Das System kann des Weiteren eine Druckgasquelle umfassen, die in Verbindung mit dem Druckeinschlußbehälter steht. Der Düsenkopf kann eine Elektrode umfassen, die in dem Tiegel angeordnet ist, um eine elektrische Verbindung mit dem Düsenstrom auszubilden.
Der Düsenkopf kann eine Austrittsöffnung umfassen. Außerdem kann der Düsenkopf ferner einen Stecker umfassen. Bei dieser Ausführung kann der Düsenkopf eine Steckerstange umfassen, die oberhalb der Austrittsöffnung angeordnet ist. Der Düsenkopf kann ferner eine Düse umfassen. Die Düse kann eine Scheibe mit einer konischen Öffnung aufweisen. Der Düsenkopf kann ferner eine Düse und eine Düsenkappe umfassen, die abnehmbar an dem Druckeinschließbehälter benachbart zu der Düse befestigt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Filter in Serie mit der Düse angeordnet sein. Beim anderen Ausführungsbeispiel hat der Tiegel einen Filter für leitfähiges Fluid.
Das System zum Modifizieren eines Werkstücks kann ferner eine erste Leitung umfassen, die elektrisch an die Stromversorgung und ein Werkstück angeschlossen ist, und eine zweite Leitung, die elektrisch an die Stromversorgung und ein leitfähiges Fluid angeschlossen ist, das in dem Tiegel angeordnet ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das System ferner eine erste Leitung umfassen, die elektrisch an die Stromversorgung und eine Werkstückklemme angeschlossen ist, und eine zweite Leitung, die elektrisch an die Stromversorgung und ein leitfähiges Fluid angeschlossen ist, das in dem Tiegel angeordnet ist. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das System ferner eine erste Leitung umfassen, die elektrisch an die Stromversorgung und einen Stromkollektor angeschlossen ist. Zum Beispiel kann der Stromkollektor einen Behälter umfassen.
Das System kann noch überdies eine erste Leitung umfassen, die elektrisch an eine erste Stromversorgung und eine erste Zufuhrvorratsmenge angeschlossen ist, und eine zweite Leitung, die elektrisch an eine erste Stromversorgung und eine zweite Zufuhrvorratsmenge angeschlossen ist. Die erste und zweite Zufuhrvorratsmenge haben elektrischen Kontakt mit dem leitfähigen Fluid, das in dem Tiegel angeordnet ist. Die zwei Zufuhrvorratsmengen werden erhitzt, indem Strom zwischen ihnen geleitet wird. Eine zweite Stromversorgung umfaßt eine erste Leitung, die elektrisch an das Arbeitsstück angeschlossen ist, und eine zweite Leitung, die elektrisch an die Stromversorgung und eine Zufuhrvorratsmenge der ersten Stromversorgung angeschlossen ist.
Der Düsenkopf kann überdies eine Schutzanordnung umfassen, die die Düse trägt. Die Schutzanordnung kann eine Scheibe mit einer Vielzahl von Einlaßöffnungen zum Einleiten eines Schutzgases zu dem Strahlstrom umfassen.
Es wird auch ein Metallstrahlschneidesystem bereitgestellt. Das System umfaßt einen Düsenkopf mit einer Austrittsöffnung zum Ausgeben eines Strahlstroms eines leitfähigen Fluids und eine Stromversorgung, die elektrisch an den Strahlstrom angeschlossen ist, um einen Strom zu dem Strahlstrom bereitzustellen, um eine Temperatur von dem Strahlstrom über eine Schmelztemperatur des leitfähigen Fluids zu erhöhen.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks gemäß Anspruch 30. Gemäß dem Verfahren wird ein Strahlstrom, der ein leitfähiges Fluid umfaßt, bereitgestellt. Ein elektrischer Strom wird durch den Strahlstrom geleitet. Der Strahlstrom wird auf das Werkstück gerichtet, um das Werkstück zu modifizieren.
Der Strahlstrom kann auf verschiedene Weisen erhitzt werden. Ein Strom kann an den Strahlstrom angelegt werden, durch eine Elektrode, die an das leitfähige Fluid und einem Stromkollektor angeschlossen ist, der neben dem Werkstück angeordnet ist. Ein Strom kann an den Strahlstrom durch eine Elektrode angelegt werden, die an das leitfähige Fluid und eine Werkstückklemme angeschlossen ist. Der Strahlstrom kann durch Ohm'sche Energiedissipation erwärmt werden. Der Strahlstrom kann auf eine Temperatur erhitzt werden, die wesentlich über einer Schmelztemperatur des leitfähigen Fluids liegt. Eine Temperatur des Strahlstroms kann bis zu ungefähr 1000°C über eine Schmelztemperatur des leitfähigen Fluids erhöht werden. Der Strahlstrom kann ein kontinuierlicher Strahlstrom, ein gepulster Strahlstrom, ein stetiger Strahlstrom oder ein unstetiger Strahlstrom sein.
Der Erhitzer des Tiegels kann ein Induktionserhitzer sein, wobei die charakteristische Frequenz des Induktionserhitzers auf den Wert eines leitfähigen Fluids in dem Tiegel kalibriert werden kann.
Die Zufuhrvorratsmenge und das Werkstück können die gleiche Materialart umfassen. Alternativ kann die Zufuhrvorratsmenge und das Werkstück unterschiedliche Materialarten umfassen. Zum Beispiel kann die Zufuhrvorratsmenge Aluminium umfassen, und das Werkstück kann Edelstahl umfassen. Die Zufuhrvorratsmenge kann ein leitfähiges Fluid sein. Alternativ kann die Zufuhrvorratsmenge erhitzt werden, um ein leitfähiges Fluid zu bilden. Bei einem Beispiel ist die Zufuhrvorratsmenge ein Metall, wie z.B. Aluminium, Eisen, eine eisenhaltige Verbindung, Zinn, Nickel, Titan, Gold, Platin, Silber, Magnesium, Kupfer, Weichstahl oder eine Aluminium-Eisen-Legierung. Die Zufuhrvorratsmenge kann einen Draht, eine Stange oder Pulver umfassen. Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Zufuhrvorratsmenge einen Draht oder eine Stange umfassen, und auch als in elektrischer Kontakt zwischen einer Stromversorgung und dem leitfähigen Fluid dienen. Mehr als eine Zufuhrvorratsmenge kann in Kontakt mit einer elektrischen Stromversorgung sein. Die Zufuhrvorratsmenge kann eine Vielzahl nicht-schmelzender Partikel umfassen. Die nicht-schmelzenden Partikel können abrasiv sein. Der Zufuhrvorratsmenge kann einen niedrigen Schmelzpunkt und einen hohen Siedepunkt aufweisen.
Die Austrittsöffnung des Tiegels kann verstopft sein, während die Zufuhrvorratsmenge bereitgestellt wird, und die Austrittsöffnung kann freigegeben werden, während das leitfähige Fluid durch die Austrittsöffnung austritt. Ein Vakuum kann an den Düsenkopf angelegt werden, um die Austrittsöffnung zu verstopfen. Eine Levitationskrft kann für das leitfähige Fluid vorgesehen werden, um die Austrittsöffnung zu verstopfen.
Der Düsenkopf kann unter Druck gesetzt werden, während das leitfähige Fluid durch die Austrittsöffnung tritt. Zum Beispiel kann der Düsenkopf unter Druck gesetzt werden, indem ein inertes Gas zugeführt wird.
Ein Tiegel für ein Metallstrahlschneidesystem wird vorgesehen. Der Tiegel umfaßt Seitenwände und eine Basis. Der Tiegel ist elektrisch leitfähig und gegenüber der Auflösung in der Gegenwart einer metallischen Schmelze widerstandsfähig. Der Tiegel kann aus einer Zirkonium enthaltenden Verbindung ausgebildet sein. Der Tiegel kann auch aus Zirkoniumdiborid oder Yttriumstabilisierten Zirkonium ausgebildet sein.
Eine Düse für ein Metallstrahlschneidesystem wird auch angegeben. Die Düse umfaßt eine Scheibenkonstruktion mit einer Öffnung, wobei die Öffnung in der Mitte der Scheibenkonstruktion angeordnet ist. Die Düse ist elektrisch leitfähig und dagegen widerstandsfähig, in der Gegenwart einer metallischen Schmelze aufgelöst zu werden. Die Düse kann aus einer Zirkonium enthaltenden Verbindung ausgebildet sein. Die Düse kann auch aus Zirkoniumdiborid ausgebildet sein.
Verschiedene Parameter können geregelt werden, wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Zum Beispiel können ein Druck in dem Düsenkopf, eine Temperatur des leitfähigen Fluids, eine Eindringtiefe des Strahlstroms und/oder eine Geschwindigkeit des Strahlstroms geregelt werden.
Das Werkstück kann geschnitten, markiert oder durchstoßen werden. Alternativ kann das Werkstück geschweißt werden. Beim Schweißen wird z.B. ein erstes Werkstück mit einem ersten abgeschrägten Rand und ein zweites Werkstück mit einem zweiten abgeschrägten Rand bereitgestellt. Der erste abgeschrägte Rand wird benachbart zu dem zweiten abgeschrägten Rand angeordnet, um eine Rille zu schaffen. Der Düsenstrom wird auf die Rille gerichtet, um die Rille zu füllen. Das Richten des Düsenstroms auf die Rille kann einen Teil des Werkstücks schmelzen, was ein geschmolzenes Bad in der Rille bildet. Das Kühlen des geschmolzenen Bads schweißt das erste Werkstück und das zweite Werkstück.
Ein Werkstück kann modifiziert werden, indem ein Schmelzpunkt des Werkstücks abgesenkt wird. Der Schmelzpunkt kann abgesenkt werden, indem eine Legierung des Vorratszuführmaterials und des Werkstückmaterials an einer Oberfläche eines Abschnitts des Werkstücks gebildet wird. Das Verfahren des Veränderns eines Werkstücks kann des Weiteren das Bereitstellen eines Schutzgases umfassen, um die Strahlströmung abzuschirmen.
Das Verfahren des Veränderns des Werkstücks kann eingesetzt werden, um ein isolierendes Materials zu verändern. Wenn ein isolierendes Material verändert wird, kann ein Stromabnehmer, der ein leitfähiges Material umfaßt, unter dem Werkstück angeordnet werden. Der Stromabnehmer bildet einen elektrischen Kontakt mit dem Strahlstrom.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das Vorangegangene und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ebenso wie die Erfindung selber, werden aus der folgenden Beschreibung und den folgenden Ausführungsbeispiele klarer, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden, wobei:
1a eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks gemäß einer Ausführung der Erfindung zeigt.
1b eine Innenansicht des Düsenkopfs von 1a gemäß einer Ausführung der Erfindung zeigt
1c eine detaillierte Querschnittsansicht des Düsengebiets des Düsenkopfs von 1b zeigt
2a ein Werkstück zum Schweißen gemäß einer Ausführung der Erfindung zeigt.
2b das Schweißen des Werkstücks von 2a gemäß einer Ausführung der Erfindung zeigt.
3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung zeigt.
4a eine Querschnittsansicht des Düsenkopfs gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung zeigt.
4b eine detaillierte Querschnittsansicht des Düsengebiets des Düsenkopfs von 4a zeigt.
5a eine detaillierte Querschnittsansicht des Düsenkopfs gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung zeigt.
5b eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks gemäß einer Ausführung der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Gemäß einem Gesichtspunkt gibt die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung an, bei dem ein Werkstück durch einen auftreffenden feinen Strom eines Arbeitsfluids aus flüssigem Metall hoher Temperatur entweder geschnitten oder geschweißt wird. Bei einer Ausführung wird das Arbeitsfluid aus flüssigem Metall durch Schmelzen und dann Aufbewahren des Arbeitsfluids in einem erhitzten Tiegel ausgebildet. Die Temperatur des Metallarbeitsfluids in dem Tiegel wird auf einer Temperatur oberhalb ihres Schmelzpunkts gehalten. Während des Betriebs wird das Arbeitsfluid unter Druck in dem Tiegel erhitzt und anschließend in Richtung des Werkstücks als ein Strahlstrom geleitet, der durch eine Düsenöffnung tritt, die an einem Auslaß des Tiegels angeordnet ist.
Bei einer Ausführung ist eine elektrische Stromquelle zwischen das Arbeitsfluid aus flüssigem Metall in den Tiegel und einem elektrisch-leitfähigen Werkstück oder einer alternativen Elektrode angeschlossen, die unterhalb des Schneidewerkstücks angeordnet ist. Während des Betriebs wird ein elektrischer Strom zwischen dem Arbeitsfluid aus flüssigem Metall in dem Tiegel und dem Werkstück oder der alternativen Elektrode über den flüssigen Metallstrom geführt. Der Durchtritt des Stroms durch den flüssigen Strom kleinen Durchmessers erhitzt den Strahlstrom durch Ohm'sche Energiedissipation (I²R) (wobei I den elektrischen Strom und R den elektrischen Widerstand darstellt). Der Temperaturanstieg des Stroms auf dem Weg zu dem Werkstück ist abhängig von: a) dem elektrischen Leistungseingang in den Strom; b) der Strommassenströmrate; und c) der Wärmekapazität (spezifische Wärme) der Flüssigkeit. Da der Leistungseingang in den Strom eine unabhängige Variable ist, die von dem Bediener geregelt werden kann, kann dem Strom Energie zugefügt werden, um seine Temperatur zu erhöhen, wie gewünscht. Das reduziert die hohen Temperaturanforderungen von Tiegelkonstruktionsmaterialien, und macht es möglich, Materialien mit hohen Schmelzpunkttemperaturen unter Verwendung von Arbeitsfluiden zu schneiden oder zu schweißen, die viel niedrigere Schmelzpunkte haben. Werkstückmaterialien mit hohem Schmelzpunkt können bearbeitet werden (entweder geschnitten, geschweißt oder gelötet), indem zugeführt wird, welche Temperatur auch immer für das Arbeitsfluid auf dem Weg zu dem Werkstück erforderlich ist. Zum Beispiel können Weichstahl und Edelstahl, die ungefähre Schmelzpunkte von 1550 °C bzw. 1400 °C haben, mit Arbeitsfluiden mit einem niedrigeren Schmelzpunkt geschnitten werden, wie z.B. Aluminium oder Zinn-Legierungen, die eine ungefähre Schmelztemperatur von 660 °C bzw. 232 °C aufweisen, indem zugegeben wird, welche zusätzliche Temperatur auch immer durch I²R-Energiedissipation in dem flüssigen Metallstrom erforderlich ist.

Als eine Darstellung der Verbesserung der Erfindung bei dem Schneideverfahren vergleicht die folgende Tabelle 1 die typische theoretische Querschnittleistungsdichten der oben erwähnten Schneideverfahren. Die Schnittgeschwindigkeiten und Verfahrensparameter werden für jedes Verfahren als typisch angenommen. Die Leistungsdichte wird für jedes Verfahren als die Energie berechnet, die durch einen Querschnittsdurchmesser tritt, der in der Größe gleich zu der Kerbbreite ist, die mit jedem Verfahren verbunden ist. Man kann in Tabelle 1 sehen, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei weitem mehr Leistung pro Einheitsfläche als jedes der anderen Verfahren liefert. Diese Leistungsdichte ist ein Hinweis für die Fähigkeit des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, Schmelzenergie zu einer Werkstückkerbe zu liefern. Tabelle 1 Typische Leistungsdichten (W/mm²) für Schneideverfahren (Schneiden von 1/2" Weichstahl, 1520 °C Schmelztemperatur

Schneideverfahren	Leistungs-Dichte
1. Oxy-Brennstoff (Sauerstoff-Eisenbrennreaktion, 2 mm Kerbe)	14
2. Plasma (200 A, 100 V, 4 mm Kerbe)	1.600
3. Laser (3 kW mit Sauerstoffunterstützung, 0,4 mm Kerbe)	24.000
4. Aluminiumstrahl (200 μm Düse, 1750 °C Strahl, 0,2 mm Kerbe)	14.600
5. Aluminiumstrahl w/I²R-Erhitzung (200 μm Düse, 1750°C Strahl + 1,2 kW I²R, 0,2 mm Kerbe)	53.000
6. Aluminiumstrahl w/I²R-Erhitzung (200 μm Düse, 900°C Strahl + 2,1 kW I²R, 0,2 mm Kerbe	30.000

Wie in Tabelle 1 gezeigt, kann die Anfangstemperatur des Aluminiumsstrahls (900 °C) geringer als die Schmelztemperatur des Werkstücks (1520 °C) sein, wobei die zusätzliche benötigte Temperatur, um das Werkstück zu schneiden, von der zugefügten I²R-Energiedissipation stammt.
Mit Bezug auf die 1a, 1b und 1c umfaßt eine Vorrichtung zum Schneiden oder Schweißen eines Werkstücks einen Düsenkopf (9), eine Tiegelheizenergiezufuhr (34), eine Stromerwärmenergiezufuhr (54), und eine Druckgasquelle (22). Die Tiegel energiezufuhr (34) ist elektrisch an den Düssenkopf (9) durch ein Kabelpaar (32), (33) angeschlossen. Die Stromerwärmenergiezufuhr (54) ist elektrisch an den Düsenkopf (9) über ein Minuskabel (52) und an ein Werkstück (70) über ein Pluskabel (53) angeschlossen. Gas aus der Gasquelle (22) wird zu dem Düsenkopf (9) über eine Druckgasquellenverbindungsleitung (18), einen Druckgasquellenregulator (23) und ein Druckgasquellen-Schaltventil (20) zugeführt. Der Düsenkopf (9) wird über eine Druckminderentlüftung (25), eine Druckminderentlüftungsverbindungsleitung (19) und ein Druckminderentlüftungs-Schaltventil (21) auf Normaldruck gebracht.
Der Düsenkopf (9) umfaßt einen Druckaufnahmebehälter (10), einen Tiegel (11), einen Tiegelwärmer (30), eine Durchführung (30a) für das Kabelpaar (32) (33), eine Stromerhitzelektrode (50), eine Durchführung (50a) für das Minuskabel (52), eine Stopfenstange (26), einen Stopfenstangenbetätiger (26c), eine Stopfenstangendichtung (26e), eine Stopfenstangenkugel (26a), einen Stopfenstangenkugelsitz (26b), eine dem Tiegel entsprechende obere Dichtung (16), eine dem Tiegelboden abdichtende Dichtung (15), eine Düsenscheibe (12), eine die Düsenscheibe abdichtende Dichtung (14), eine Düsenmutter (13) und ein Arbeitsfluid (80) aus geschmolzenem Metall.
Der Zufuhrvorrat (87) wird in den Düsenkopf (9) über den Zufuhrvorratseinlaß (17c) zugeführt. Der Zufuhrvorrat (87) kann in den Düsenkopf (9) entweder in fester Form, wie gezeigt, eingeleitet werden, wobei das Schmelzen und das Bilden einer Flüssigkeit in dem Tiegel (11) stattfindet, oder der Zufuhrvorrat kann in flüssiger Form eingeleitet werden, wobei das Schmelzen und das Bilden des flüssigen Metalls außerhalb des Düsenkopfs (9) vor seiner Einleitung in den Zufuhrvorratseinlaß (17c) stattfindet. In jedem Fall bewegt sich das Arbeitsmaterial durch den Zufuhrvorratsdurchgang (17d) in den Düsenkopf (9) und in den Tiegel (11). Während des Betriebs hält der erhitzte Tiegel (11) den Zufuhrvorrat (87) in einem geschmolzenen Zustand. Der Zufuhrvorrat (87) wird durch die Öffnung (17e) in dem Zufuhrvorratsventil (17) geführt, wenn die Öffnung (17e) mit dem Durchgang (17d) ausgerichtet ist. Wenn die Öffnung (17e) durch den Zufuhrvorratsventilbetätiger (17b) verschlossen ist, ist sie nicht mehr mit dem Durchgang (17d) ausgerichtet, wobei der Durchgang (17d) dann durch Dichtungen (17a) gasdicht abgedichtet ist. Das Zufuhrvorratsventil (17) erlaubt es, das Innere des Düsenkopfs (9) unter Druck zu setzen.
Der Tiegel (11) wird durch den Tiegelheizer (30) erwärmt. Der Tiegelheizer (30) kann irgendein Heizer sein, der den Tiegel (11) auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Zum Beispiel kann der Heizer (30) ein AC- oder DC-Widerstandsheizer sein, ein Induktionsheizer oder ein Verbrennungsheizer. Bei einer Ausführung wird ein elektrischer AC-Widerstandsheizer verwendet. Dieser Heizer hat Stromanschlüsse (32) und (33), die wiederum an die Tiegelheizerstromzufuhr (34) angeschlossen sind. Die Stromkabel (32) und (33) treten durch das Druckbehälteroberteil (10b) über den Durchgang (30a) für den elektrischen Tiegelheizer. Dieser Durchgang (30a) macht eine Gasdruckdichtung mit dem Druckbehälteroberteil (10b) und isoliert die Leitungen elektrisch.
Der Tiegel (11) kann Seitenwände und einen Boden haben. Der Tiegel (11) ist aus einem feuerfesten Material hergestellt, das mit dem bei hoher Temperatur geschmolzenen Arbeitsfluid kompatibel ist, so daß der Tiegel dagegen widerstandsfähig ist, sich in der Gegenwart einer metallischen Schmelze aufzulösen. Beispiele geeigneter Tiegelmaterialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Zirkonium enthaltene Verbindungen, Aluminiumoxid- und Zirkoniumoxidkeramiken verschiedener Zusammensetzungen, Bornitridmaterialien verschiedener Zusammensetzungen, Bornitride, Bornitrid-Zirkoniumoxid-Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Zirkoniumdiborid, Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Calciumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, kubisches Zirkoniumoxid, Siliciumoxidzusammensetzungen und Graphit. Das Tiegelmaterial kann Bornitridmaterialien, wie z.B. Grade ZSBN- Material sein, das aus Bornitrid-Zirkoniumoxid-Siliciumcarbid besteht, das von The Carborundum Company geliefert wird, die in Amhurst, New York, ansässig ist. Bei einer anderen Ausführung besteht der Tiegel aus Graphit. Da Graphit elektrisch leitfähig ist, kann es wünschenswert sein, den Tiegel (11) elektrisch von dem Druckaufnahmebehälter (10) und dem Tiegelheizer (30) zu isolieren. Der Tiegel (11) kann elektrisch isoliert sein. Das untere Ende des Tiegels (11) ist durch die Tiegelbodendichtung (15) abgedichtet, die an dem Boden des Tiegels (11) angeordnet ist, zwischen dem Tiegel (11) und dem Druckbehälterboden (10a). Die Dichtung (15) ist vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Dichtungsmaterial aus Aluminiumoxid ausgebildet, was ein elektrischer Isolator ist. Die Dichtung (15) steht unter Druck von der entsprechenden Dichtung (16), die an dem Oberteil des Tiegels (11) zwischen dem Tiegel (11) und dem Oberteil des Druckbehälters (10b) angeordnet ist.
Der Auslaß für das Arbeitsfluid aus flüssigem Metall kann durch die bewegliche Stopfenstangenkugel (26a) abgedichtet sein, die in einer dichtenden Passungsbeziehung mit der Stopfenstangenkugelaufnahme (26b) steht. Der Stopfenstangenbetätiger (26c) übt eine Abdichtkraft über dem Arm (26d) auf die Stopfenstange (26) aus, die die Stopfenstangenkugel (26a) auf die Stopfenstangenkugelaufnahme (26b) während Zeiten drückt, in denen kein flüssiges Metall fließt. Da der Tiegel (11), die Stopfenstange (26), die Stopfenstangenkugel (26a) und die Stopfenstangenkugelaufnahme (26b) in Kontakt mit dem flüssigen Metall (80) sind, müssen die Konstruktionsmaterialien für diese Bauteile derart gewählt werden, daß sie den mechanischen und thermischen Belastungen bei hoher Temperatur widerstehen, und der Korrosion in einer chemisch reaktiven Umgebung widerstehen. Außerdem müssen die Stopfenstangenkugel (26a) und die Stopfenstangenkugelaufnahme (26b) aus Materialien gemacht sein, die zusammen eine gute diskontinuierliche Dichtung des flüssigen Metalls unter Druck bilden. Man nimmt an, daß Arbeitsdrücke in dem Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 5000 Pfund pro Quadratzoll liegen werden. Außerdem kann die Stopfenstange (26) und die Stopfenstangenkugel (26a) elektrisch isoliert sein und/oder aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material ausgebildet sein, um die Arbeitsfluidwiderstandserwärmenergiezufuhr (54) gegen andere Stromwege zu isolieren. Die elektrische Isolierung des Tiegels und der Stopfenstangenteile würde nicht notwendig sein, wenn es der gesamten Düsenkopfanordnung erlaubt wäre, elektrisch auf dem gleichen Potential wie der Tiegel zu "fließen". Die Stopfenstange (26) ist auf dem Druckbehälteroberteil (10b) durch die Stopfenstangendruckdichtung (26e) abgedichtet.
Die Stromerwärmenergiequelle (54) kann an das Arbeitsfluid (80) durch eine Elektrode (50) angeschlossen sein, die sich nach unten in den Tiegel (11) erstreckt und im Großen und Ganzen von dem Arbeitsfluid (80) aus flüssigem Metall umgeben ist und damit in gutem elektrischen Kontakt steht. Die Elektrode (50) ist an die Energiezufuhr (54) durch einen Anschlußdraht (52) angeschlossen, der durch das Oberteil (10b) des Druckbehälters durch den Durchgang (50a) durchtritt. Diese Durchführung (50a) bildet eine Gasdruckdichtung und elektrische Isolierung mit dem Oberteil (10b) des Druckbehälters. Die entgegengesetzte Polarität der Stromererwärmenergiezufuhr (54) ist über das Kabel (53), den Schalter (54a) und elektrische Klemmmittel (55) an das Werkstück (70) angeschlossen.
1c zeigt eine vergrößerte Ansicht des Düsengebiets. Das Düsengebiet umfaßt eine Düsenscheibe (12). Die Düsenscheibe (12) ist eine zylindrische Scheibe mit einem Oberteil (12a), einen Boden (12b) und einer Außendurchmesserwand (12c). Eine Öffnung (5) ist an dem Oberteil (12a) der Düsenscheibe (12) an der Mittellinie ausgebildet. Die Öffnung (5) hat eine Bohrung (5a) und eine Länge (5b). Eine konische Öffnung (5c) erstreckt sich von dem Auslaß der Öffnung (5) zu dem Boden (12b) der Düsenscheibe (12). Typische Öffnungsdurchmesser können in dem Bereich von ungefähr 25 bis 500 μm liegen. Die Düsenscheibe (12) ist bei einer Ausführung aus einem Material ausgebildet, das elektrisch leitfähig und dagegen widerstandsfähig ist, sich in der Gegenwart einer metallischen Schmelze aufzulösen, und die Düsenscheibe (12) kann mit einer präzisen Öffnung kleinen Durchmessers ausgebilet werden, und sie kann in der harten Umgebung von flüssigen Metallen hoher Temperatur funktionieren. Die Düsenscheibe (12) kann wie der Tiegel (11) aus zirkoniumhaltigen Verbindungen ausgebildet sein, wie z.B. Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Magnesium-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Calcium-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Bornitrid, Bornitrid-Zirkoniumoxid-Siliciumcarbid, kubisches Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Siliciumoxidzusammensetzungen, Zirkoniumdiborid. Bei einer detaillierten Ausführung ist das Metall für die Düsenscheibe (12) Saphir (z.B. Aluminiumoxid). Die Düsenscheibe (12) wird gegen die die Düse abdichtende Dichtung (14) durch den Druck gehalten, der von einer Düsenkappe (13) ausgeübt wird. Die Düsenkappe (13) hat einen Gewindeabschnitt (13a), der an dem Unterteil (10a) des Druckbehälters an dem Gewindeabschnitt (10c) angebracht ist. Bei einer Ausführung ist die die Düse abdichtende Dichtung (14) aus einem Material ausgebildet, das in der harten Umgebung von flüssigen Metallen hoher Temperatur funktionieren kann. Zum Beispiel kann das Dichtungsmaterial Graphit sein, wie z.B. das "Calgraph^TM-Material, das von SGL Technic Inc. aus Valencia, CA geliefert wird.
Die äußere Grenze des Düsenkopfinneren wird durch die Innenwand des Druckaufnahmebehälters (10) definiert. Dieser Druckbehälter (10) muß aus einem Material ausgebildet sein, das eine hohe Festigkeit bei hohem Druck und erhöhten Temperaturen beibehalten kann, wie z.B. "Inconel 600", das eine Superlegierung mit hohem Nickelbestandteil ist, das von Inco Alloys International Co. erhältlich ist. Der Druckaufnahmebehälter (10) wird durch eine Druckgasquellenleitung (18) unter Druck gesetzt, die an den Druckregulator (23) und die Druckgasquelle (22) angeschlossen ist. Ein Schaltventil (20) ist irgendwo entlang der Druckgasquellenleitung (18) angeordnet. Der Druckaufnahmebehälter (10) wird durch die Druckminderentlüftungsleitung (19) auf Normaldruck gebracht, die an die Druckmindergasentlüftung (25) angeschlossen ist. Ein Schaltventil (21) ist irgendwo entlang der Druckmindergasentlüftungsleitung (19) angeordnet. Die Ausführung von 1b ist derart ausgelegt, daß die Wände des Hochtemperaturtiegels nicht den hohen Belastungen ausgesetzt sind, die durch das periodische Unterdrucksetzen des Düsenkopfs (9) verursacht werden. Das wird erreicht, indem zugelassen wird, daß die Druckgasströmung Zugang zu sowohl der Innenseitenwand (11a) als auch der Außenseitenwand (11b) des Tiegels (11) hat. Das Druckgas darf frei durch Gaspassagen (11c) des Tiegels (11) strömen. Der Innenhohlraum (8), der den ganzen Freiraum in dem Düsenkopf zwischen dem Äußeren des Tiegels (11) und den Innenwänden des Druckaufnahmebehälters (10) ausmacht, wirkt als eine sehr effektive Wärmeisolationsbarriere. Dieser Raum wirkt jedoch als eine Gaskapazität, wenn der Behälter mit Hochdruck geladen und entladen wird. Um diese Kapazität zu minimieren, kann der Innenhohlraum (8) mit einer nicht-porösen thermischen Isolierung gefüllt werden.
Zufuhrvorrat (87) kann in den Düsenkopf (9) während Zeiten einleitet werden, wenn der Düsenkopf nicht unter Druck steht. Der Zufuhrvorrat wird in dem Tiegel (11) gehalten und wird dann geschmolzen, wenn der Zufuhrvorrat als ein Feststoff eingeführt wurde, und wird in geschmolzenem Zustand gehalten.
Wenn der Düsenkopf (9) bei der Vorbereitung zum Schneiden hochgefahren wird, wird die Tiegelstromversorgung (34) "EIN"-geschaltet, indem der Schalter (34a) geschlossen wird, um auf diese Weise Strom zu dem Tiegelhalter (30) zu liefern. Der Tiegelhalter (30) wird durch nicht gezeigte Regelungen die Temperatur des Arbeitsfluids (80) auf einer bestimmten Temperatur etwas oberhalb ihres Schmelzpunktes halten. Die bestimmte Temperatur wird durch elektronische Überwachungsregelungen eingestellt, die eine Rückkopplung von Temperatursensoren verwenden, die in oder neben dem Arbeitsfluid aus geschmolzenem Metall angeordnet sind. Dieses elektronische Regelsystem und die Temperatursensoren sind nicht gezeigt, aber kommerziell erhältlich.
Ein Induktionsheizer kann als ein Tiegelheizer (30) verwendet werden. Der Indukuktionsheizer kann Änderungen in dem Niveau des Arbeitsfluids aus geschmolzenem Metall in dem Tiegel detektieren. Eine charakteristische Frequenz des Induktionsheizers ändert sich mit dem Niveau des Arbeitsfluids aus geschmolzenem Metall. Bei einem Induktionsheizer ist das zu heizende Material an die Heizspule durch die Magnetfelder in der Spule gekoppelt. Das Vorhandensein des Materials und der in dem Material induzierten Wirbelströme wechselwirken mit und ändern die Magnetfelder in der Spule im Vergleich zu dem, wie die Felder ohne irgendein Material in der Spule sein würden. Die zusätzliche Impedanz des Materials ändert die Gesamtimpedanz der Spule. Die Änderung in der Impedanz der Spule ändert den Q des Schaltkreises und seine Resonanzfrequenz. Daher würde der Induktionsheizer bei verschiedenen Frequenzen für Bedingungen arbeiten, wo Material in der Spule vorhanden oder nicht vorhanden ist. Entsprechend würden sich in der Spule ändernde Materialmengen sich ändernde Verschiebungen der Frequenz bedingen. Die charakteristische Frequenz kann überwacht und kalibriert werden, um das Niveau des Arbeitsfluids aus geschmolzenem Metall zu messen.
Das Arbeitsfluid (80) aus geschmolzenem Metall, das aus dem Zufuhrvorrat (87) gebildet wird, wird speziell für die besondere in Betracht kommende Anwendung ausgewählt. Obwohl das Arbeitsfluid als "Metall" bezeichnet wird, kann das Arbeitsfluid in der Tat irgendein elektrisch leitfähiges Fluid sein, das die erwünschten Effekte an dem Werkstück erzeugen wird. Einige Materialien, die für den Zufuhrvorrat (87) eingesetzt werden können, umfassen Weichstahl, Aluminium, Aluminiumlegierung, Zinn, Edelstahl, Eisen, Gußeisen, Werkzeugstahl, Kupfer, Zink, Gold, Silber, Nickel, Titan, Magnesium oder Platin. Wenn es zum Beispiel der gewünschte Effekt ist, Weichstahl oder Edelstahl zu schneiden, kann das Arbeitsfluid eine Aluminium- oder Aluminium-Eisen-Legierung sein.
Aluminium oder Aluminiumlegierungen haben verschiedene Eigenschaften, die sie als gute Wahl für das Arbeitsfluid machen; solche Legierungen haben eine niedrige Schmelzpunkttemperatur, eine hohe Siedepunkttemperatur, eine hohe spezifische Wärmekapazität, hohe thermische Leitfähigkeit und sind relativ preiswert pro Kilogramm. Der Schmelzpunkt von reinem Aluminium liegt bei ungefähr 660 °C, der Schmelzpunkt von Aluminium-Eisen-Legierungen (oder Metallmischungen) variiert von ungefähr 660 °C bis 1540 °C in Abhängigkeit von der Menge an Eisen in der Mischung. Der Schmelzpunkt einer Aluminium-Eisen-Mischung mit 90 % Aluminiumgehalt liegt bei ungefähr 800 °C.
Ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, ein Arbeitsfluid bei derartigen Temperaturen zu verwenden, weil sie die Verwendung einer Anzahl von verfügbaren hochschmelzenden Materialien für die Tiegelkonstruktion möglich macht. Weil reines Eisen bei ungefähr 1540 °C schmilzt, ist es naheliegend, daß dem Strom zusätzliche Temperatur zugefügt werden muß, auf dem Weg zu dem Werkstück, um es zu schneiden. Außerdem gibt es einen weiteren Vorteil, Aluminium oder Aluminiumlegierungen als das Arbeitsfluid zu verwenden. Das heißt, daß die Temperatur eine Aluminium-Eisen-Legierung eine niedrigere Schmelztemperatur als reines Eisen (oder Stahl) hat. Daher wird bis zum Ausmaß, daß die Legierungsverfahrengeschwindigkeit schnell genug ist, dieser zusätzliche Legierungsverfahrensmechanismus dem Schneideverfahren helfen, wenn der Strom mit einem Werkstückmetall mit einem höheren Schmelzpunkt kombiniert (legiert). Das Legierverfahren wird im Großen und Ganzen das Schneideverfahren aller Werkstückmetalle mit Schmelzpunkten helfen, die höher als der des Schneidestroms ist, indem im Effekt die Schmelzpunkttemperatur des Werkstückmetalls im Kontakt mit dem Schneide- (und Legierungs-)strom abgesenkt wird.
Als ein weiteres Beispiel könnte ein Edelstahlwerkstück geschnitten werden, unter Verwendung eines Arbeitsfluids, das aus einem Verbundmaterial besteht, wie zum Beispiel eine Aluminium-Magnesium-Legierung, die auch dispergierte Mengen feiner Kera mikpartikel enthält, wie z.B. 0,5–25 μm Aluminiumoxid- oder Zirkoniumoxidpartikel. Dieses Schneidefluid hat den Vorteil, nicht-schmelzende Partikel über das Fluid verteilt zu haben, um als Schleifmittel zu dienen, um bei dem Schneideverfahren zu helfen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, mit Metall einer niedrigen Schmelztemperatur als dem Arbeitsfluid verwendet zu werden. Zum Beispiel kann ein Weichstahlwerkstück mit einem Arbeitsfluid aus Weichstahl, aus Gußeisen, aus Werkzeugstahl oder reinem Eisen geschnitten werden. Diese Wahl des Schneidefluids hat den Nachteil eines hohen Schmelzpunkts. Jedoch gibt es ein paar Tiegelmaterialien, die Temperaturen um die Schmelzpunkt- (oder Fluidisierungs-)temperatur von Eisen widerstehen können, und da irgendeine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts, die erforderlich ist, mit der I²R-Energiedissipation außerhalb des Tiegels zugefügt werden kann, ist die Verwendung von reinem Eisen als Schneidefluid bei der vorliegenden Erfindung möglich, und kann in einigen Fällen wünschenswert sein. Ein Vorteil, einen Weichstahl oder Eisen als ein Schneidefluid zu verwenden, ist die Oxidbildung auf dem Weg, die die Fluidität des Stroms nicht negativ beeinflußen wird; Eisenoxid hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als Eisen selber. Einige Stähle mit hohen Kohlenstoffanteil haben Schmelzpunkte unter dem von reinem Eisen, was sie daher wieder als Kandidaten für die Wahl für Schneidefluide machen. Andere Wahlen für Schneidefluide für die Verwendung beim Schneiden von Weichstahl umfassen AISI 1006 bis AISI 1095 Stähle, Gußeisen und Werkzeugstähle. Wenn bei einem weiteren Beispiel das Werkstück, das zu schneiden ist, eine Aluminiumlegierung ist, wie z.B. 6061, kann das Arbeitsfluid reines Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein. Wenn gemäß einem noch weiteren Beispiel das zu schneidende Werkstück Zinn ist, kann das Arbeitsfluid Zinn sein. Im Großen und Ganzen kann es ein Vorteil für das Arbeitsfluidmaterial sein, das gleiche Material wie das Werkstück zu sein. Zum Beispiel würde es, wenn man schneidet, keine unterscheidbare metallurgische Unterschiede zwischen dem Basismetall des Werkstücks und dem Metall an der Schnittfläche geben. Bei einem weiteren Beispiel würde es, wenn man 316 Edelstahl schneidet, ein Vorteil sein, 316 Edelstahl als das Arbeitsfluidmaterial zu verwenden, in der Hinsicht, daß die gleichen Legierungselemente durchweg ohne Änderung in dem Gebiet des Schnitts vorliegen würden.
Gerade vor dem Anfang eines Schneidevorgangs existieren die folgenden Bedingungen: a) der Stopfenstangenbetätiger (26c) ist in dem "Aus"-Zustand und die Stopfenstangenkugel (26a) dichtet gegen den Stopfenstangenkugelsitz (26b) ab; b) das Zufuhrvorratsventil (17) ist geschlossen und Ventildichtungen (17a) dichten den Durchgang (17d) gegenüber der äußeren Umgebung ab; c) das Druckmindergasentlüftungsventil (21) ist in dem "Aus"-Zustand, und der Entlüftungsweg ist geschlossen; d) das Druckgasventil (20) ist in dem "Aus" Zustand, und der Gasweg zu der Druckgasquelle ist geschlossen, und die Druckgasquelle ist bereit, Gas zu dem Düsenkopf zu liefern; e) die Tiegelheizerstromversorgung (34) ist in dem "An"-Zustand, der Schalter (34a) ist geschlossen, und der Tiegelheizen (30) liefert Wärme zu dem Tiegel (11); f) die Stromheizstromversorgung (54) wird "ein-"geschaltet, und der Schalter (54a) wird geschlossen, derart, daß die Stromversorgung ein elektrisches Potential zwischen dem flüssigen Metallfluid (80) und dem Werkstück (70) anlegt.
Der Schneidevorgang wird erreicht, indem zuerst das Druckgasquellenventil (20) geöffnet wird, das das Innere des Druckbehälters (10) unter Druck setzt, einschließlich der Innenseite des Tiegels. Das Druckgas wird ausgewählt, um nicht-oxidierend und inert für Reaktionen mit dem geschmolzenem Metall zu sein. Mögliche Wahlen für das Druckgas umfassen Argon, Stickstoff, Helium und Argon mit etwas Wasserstoff. Bei einer Ausführung ist das Druckgas Argon mit 5 % zugefügtem Wasserstoff. Der Zweck des Wasserstoffs ist es, die Druckgasatmosphäre leicht "reduzierend" zu machen, um eine Oxidbildung zu verhindern. Ein spezieller Vorteil, Eisen als das Arbeitsfluid zu verwenden, besteht darin, daß die Anwesenheit von Sauerstoff in dem Druckgas den Fluidisierungsvorgang nicht nachteilig beeinflussen wird, weil Eisenoxid, wenn es gebildet wird, zusammen mit dem reinen Eisen fluidisiert werden wird. Das Vorliegen von Sauerstoff kann jedoch für andere Komponenten des Düsenkopfs unerwünscht sein, wie z.B. dem Tiegel und/oder die abdichtenden Dichtungen. Anschließend wird der Stopfenstangenbetätiger (26c) mit Strom versorgt, der durch die Stopfenstange (26) anhebt. Die Stopfenstangenkugel (26a) wird daher aus dem Sitz (26b) angehoben. Wie in 1c gezeigt, strömt flüssiges Metallfluid (80) durch die Düsenöffnung (5), wobei ein Strom flüssigen Metalls (82) gebildet wird. Wenn der Strom das Werkstück (70) berührt, wird Strom unmittelbar beginnen, von der Stromheizstromversorgung (54) durch den Strom (82) zu fließen. Dieser Stromfluß hebt unmittelbar die Stromtemperatur an. Wenn der Strom hoher Temperatur auf das Werkstück trifft, schmelzt er es und frißt eine Vertiefung hinein, bis schließlich der erhitzte Strom den gesamten Weg durch das Werkstück eindringt. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Werkstück von dem Strahl durchstoßen. Dann wird abschließend eine Relativbewegung (72) zwischen dem Werkstück und dem Düsenkopf begonnen. Diese Aktionen bewirken zusammen, daß das Werkstück geschnitten wird. Die relative Bewegung fährt fort, bis die gewünschte Form geschnitten wurde. Zu diesem Zeitpunkt kann die relative Bewegung angehalten und der Strom (82) kann ausgeschaltet werden, indem: a) der Schalter (54a) geöffnet wird, was den Stromfluß durch den Strom stoppt; b) Aberregen des Betätigers (26c), was die Stopfenstange absenkt und die Stopfenstangenkugel (26a) auf den Sitz (26b) drückt; c) Aberregen (Schließen) des Druckventils (20); d) Erregen (Öffnen) des Entlüftungsventils (21), was es dem Druckgas ermöglicht, aus dem Druckbehälter (10) durch die Entlüftung (25) zu strömen. Die Schnittfolge wird dann für den nächsten Schnitt zurückgesetzt, indem wieder der Schalter (54a) geschlossen wird, so daß die Stromversorgung ein elektrisches Potential zwischen dem flüssigen Metallfluid (80) und dem Werkstück (70) anlegt. Wenn es erwünscht ist, den nächsten Schnitt zu machen, folgt die gleiche Abfolge wie oben. Während einem Schneide- oder Schweißverfahren kann der Strom, der durch den Strahl zu dem Werkstück fließt, manchmal einen Plasmabogen an oder neben der Werkstückoberfläche bilden. Diese Plasmabogenbildung kann für das Schneide- oder Schweißverfahren schädlich sein, und kann bewirken, daß das Verfahren ungleichmäßig wird, was zu einer schlechten Schneide- oder Schweißqualität führt. Es ist wichtig, daß Schritte beim Kontrollieren des Schneide- oder Schweißverfahrens unternommen werden, um das Bogenbilden auf ein extremes Minimum zu begrenzen, oder wenn möglich, das Bogenbilden total zu eliminieren. Ein derartiger Schritt ist es, die Qualität von dem Strahlstrom zu gewährleisten, indem Filter für das Arbeitsfluid vor dem Bilden des Strahls eingesetzt werden. Filter für geschmolzene Metalle sind kommerziell erhältlich. Filter dafür sind z.B. aus einer typischen Zusammensetzung aus 93 % Zirkoniumoxid, 5 % Magnesiumoxid und weniger als 2 % Aluminiumoxidsilikaten gemacht, und andere Verbindungen sind für Weichstahlfilterung gemacht und sind von der SELEE Corp. aus Hendersonville, NC., erhältlich.
Die folgende Tabelle faßt Ergebnisse vom Schneiden verschiedener Materialien unter Verwendung eines Zinnstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen. Die I²R-Leistung wurde dem Zinnstrahl über eine DC-Stromversorgung zugefügt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt ist die vorliegende Erfindung auf eine Schweißvorrichtung und ein Verfahren zum Schweißen eines Werkstücks unter Verwendung der Vorrichtung der 1a bis 1c gerichtet. Der Strom wird zusätzlich durch I²R-Energiedissipation erwärmt, um seine Temperatur auf eine zum Schweißen einsetzbare Temperatur anzuheben. Eine Auswahl an Füllmaterial (Arbeitsmaterialstrom) wird ausgewählt, genau wie eine bestimmte Schweißstange beim konventionellen Schweißen ausgewählt wird. Die Stromgeschwindigkeit (die durch den Druck im Druckbehälter überwacht wird), der Durchmesser der Düsenöffnung und die Orientierung des Düsenkopfs zu dem Werkstück und die Stromtemperatur (I²R-Stromdissipation) würden eingestellt werden, um die Eindringtiefe einzustellen. Weil die Stromgeschwindigkeit und somit die Massenströmrate von sehr hohen bis zu sehr niedrigen Werten verändert werden kann, kann das Füllmaterial auf im Wesentlichen die gleiche Weise zugefügt werden, wie Draht bei einem herkömmlichen MIG-Schweißverfahren, d.h. auf eine Zickzack-Weise (wellenförmig). Das erlaubt einen breiteren Eindringweg bei Werkstücken. 2a zeigt zwei Stücke aus Metall (74a und 74b), Stücke, die für eine kehlenartige Schweißung vorbereitet wurden. Sowohl (74a) als auch (74b) haben abgefaste Ränder (74c), die zusammenzuschweißen sind. Wenn die abgefasten Ränder in der richtigen Stellung zum Schweißen angeordnet sind, bilden die abgefasten Ränder eine Rille (74d).
2b stellt ein Schweißverfahren unter Verwendung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dar. Mit Bezug auf 2 werden der Düsenkopf (9) und der austretende Strom (82) in Richtung der Werkstücke ausgerichtet. Der Strom (82) macht Kontakt mit den beiden Werkstücken (74a) und (74b), irgendwo in der Rille (74d) entlang von einem der abgefasten Ränder (74c). Nachdem Kontakt gemacht wurde, fließt elektrischer Strom durch den Strom (82), die Werkstücke (74a) und (74b) und zurück zu der Stromheizstromversorgung (54) (nicht in 2b gezeigt) durch die Klemme (55) und die Leitung (53). Der Strom (82) wird durch I²R-Energiedissipation erhitzt, genauso wie in dem Fall des Schneidens. Wenn der I²R-erhitzte Strom in relativer Bewegung (76) entlang bewegt wird, erhitzt er und schmelzt er lokalisiserte Abschnitte von Rändern (74c), wenn die Werkstücke (74a) und (74b) zusammengeschweißt werden. Wenn die Werkstücke schmelzen, bildet sich ein geschmolzenes Bad (75a) durch die geschmolzenen Abschnitte der Werkstücke und durch den Metallstrom (82). Metall wird andauernd dem Pool durch den Strom (82) zugefügt. Die Menge an zugefügtem Material wird durch die Stromgeschwindigkeit (82a) und den Durchmesser geregelt. Wenn das Schweißen (75) voranschreitet, beginnt sich in einigem Abstand hinter dem Schweißbad das geschweißte Gebiet unter den Schmelzpunkt des Schweißgebiets abzukühlen und verfestigt sich. Obwohl es nicht gezeigt ist, werden Schweißverfahren immer irgendeine Form von Schutzgasen haben, die um das Schweißgebiet strömen. Diese Schutzgase schützen das Schweißgebiet gegen Sauerstoff und andere unerwünschte atmosphärische Schmutzstoffe, wie z.B. Stickstoff. Auch erlaubt das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Zugabe von flußmittelartigen Materialien zu dem Arbeitsfluid, um das Schweißverfahren zu verbessern, entweder zu dem Arbeitsfluid hinzugefügt, während es in dem erhitzten Tiegel ist, oder dem Zufuhrvorrat (87) als eine additive Verbindung hinzugefügt, oder als Pulver daruntergelegt, wie beim Unterpulverschweißen.
Das Schneiden von nicht-metallischen, nicht-leitfähigen und isolierenden Materialien kann erreicht werden, indem es dem geschmolzenen Strom ermöglicht wird, sich in einem elektrisch-leitfähigen Topf zu sammeln, wie in 3 gezeigt. Bei dieser Ausführung ist es für das Werkstück nicht notwendig, elektrisch-leitfähig zu sein. Der Stromverlauf für das Stromerhitzen ist der gleiche wie in den 1a–1c, außer das nun der Strom durch den Strom (82), in das Stromsammelmaterial (83), durch den Stromsammelbehälter (57), durch die Klemme (56) und zurück durch die Leitung (53) zu der Stromversorgung (54) fließt. Das Stromsammelmaterial (83) kann vollständig geschmolzen oder nur zum Teil geschmolzen sein, und besteht im Großen und Ganzen aus sowohl dem Strommaterial als auch dem Werkstückmaterial. Zusätzliches Stromsammelmaterial (83) könnte dem Stromsammelbehälter (57) separat von dem Schneideverfahren zugegeben werden. Ein wichtiges Merkmal des Stromsammelmaterials (83) besteht darin, daß es einen guten elektronischen Kontakt mit dem Strom (82) macht. Die I²R-Hitzezugabe zu dem Strom würde noch stattfinden. Die Temperatur des Stroms an der Oberfläche des Werkstücks kann, wie bei der Ausführung, geregelt werden, durch die Wahl des Arbeitsfluids, die Menge an Strom, der durch den Strom fließt, die Strömrate des Stroms, den Durchmesser des Stroms und die Länge des Stroms von dem Werkstück zu dem Einlaß der Düsenöffnung (5). Das Werkstück (70) wird geschnitten, wenn es durch den I²R erhitzten Strom (82) bei einer relativen Bewegung (72) zwischen dem Düsenkopf (9) und dem Werkstück (70) tritt. Das unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel darin, daß das Werkstück nicht Teil des I²R-Heizkreises ist.
Ein Induktionsheizertiegel, wie in 4a gezeigt, kann als eine mögliche Variation der Implementation der Erfindung eingesetzt werden. Bei dieser Variation des Düsenkopfs ist der Tiegelheizer (30) gegen Induktionsheizerspulen 35 mit einer Eingangsspulenröhre (35a) und einer Ausgangsspulenröhre (35b) ersetzt. Die Induktionsheizerstromversorgung und ihr Kühlsystem (nicht gezeigt) werden bei dieser Ausführung eingesetzt. In die in 4a gezeigte Ausführung ist auch das Verfahren integriert, den Arbeitsfluidfluß durch den Einsatz einer Levitationskraft anzuhalten, die auf das Arbeitsfluid (80) durch die Induktionskräfte ausgeübt wird, die durch die Heizspule (35) verursacht werden. Wenn ein leitfähiges Arbeitsfluid in ein Induktionsfeld angeordnet wird, erwärmt der induzierte Strom den Metallleiter. Er erzeugt auch einen entgegengesetzten magnetischen Fluß, der dazu neigt, das Metallarbeitsfluid in einen Bereich einer niedrigen Feldstärke zu schieben, d.h. aus dem Feld heraus (oder der Spule). Diese Schubkraft kann unter Verwendung der "Lorentz"-Gleichung berechnet werden. Wenn das induzierte magnetische Feld gleichförmig ist, gibt es keine Nettokraft auf das Arbeitsfluid. Ein Feldgradient wird benötigt, um eine Anhebekraft zu schaffen. Das kann erreicht werden, indem die Spule (35) in einer konischen Form ausgebil det wird, wobei die Windungen neben dem unteren Ende des Tiegels kleiner im Durchmesser als die Windungen neben dem oberen Ende des Tiegels sind. Alternativ kann das erreicht werden, indem die Spule (35) so ausgebildet wird, daß die Spule neben dem unteren Ende des Tiegels in einer dichteren Packung als die Spule neben dem oberen Ende ist, wie in 4a gezeigt. Diese Levitationskraft erzeugt eine Anhebe- (oder Levitations-)kraft auf das flüssige Metallfluid, die die Schwerkraft überwindet, die auf das flüssige Metall wirkt, was es am Tropfen oder Lecken hindert. Bei dieser Konstruktion wird das Stoppen des Stroms (82) durch eine Kombination der Änderung des Drucks in dem Druckbehälter (10) und der von der Levitationsspule ausgeübten Levitationskraft bewirkt; es gibt keine Notwendigkeit für die Anordnung der Stopfenstange (26) der in 1b gezeigten Ausführung. Das Düsengebiet wird in 4b in dem Zustand von keinem Fluß gezeigt. 4b zeigt die Flüssigkeit, die in der Düsenöffnung ohne auszutreten zu halten ist. Das erfolgt aufgrund der Levitationskräfte der arbeitenden Induktionsspule (35).
In der Ausführung in 4b ist auch eine Verbesserung für das Verfahren durch die Ergänzung einer Gasabschirmung an dem Düsenausgang gezeigt. Bei dieser Ausführung wird eine Düsenscheibe (12) durch eine Anordnung in Position gehalten, die aus einer Schutzgasscheibe (29a), einem Abwärtsstromabschnitt (29b) und Federn (29c) aufgebaut ist. Die Schutzgasströmung (27) wird auf das Düsenaustrittsgebiet (29) angewendet. Die Schutzgasströmung (27) strömt von der Schutzgasquelle (nicht gezeigt) und dem Stromregulator (nicht gezeigt) durch ein Schaltventil (28) und Verbindungsleitungen (28a) und (28b) zu dem Düsengebiet (29) durch Löcher (29d) in der Schutzgasscheibe (29a). Der Hauptvorteil der Gasabschirmung ist es, die Effekte von Umgebungsluft auf sowohl den Arbeitsfluidstrom (82) als auch auf das Werkstück (die Werkstücke) zu reduzieren. Obwohl diese Abschirmung nicht in der Ausführung von 1b gezeigt ist, erwägt man, daß dieses Merkmal sehr wahrscheinlich auf diese Ausführung angewendet wird.
Bei einer anderen Ausführung werden ein induktionserhitzter Tiegel und ein Zufuhrvorratheizer, wie in den 5a und 5b gezeigt, als eine mögliche Variation bei der Ausführung der Erfindung eingesetzt. Bei dieser Variation des Düsenkopfs wird der Tiegelheizer 30 gegen Induktionsheizerspulen 35 mit einer Eingangsspulenröhre 35a und einer Ausgangsspulenröhre 35b ausgetauscht. Die Induktionsheizerstromversorgung und ihr Kühlsystem (nicht gezeigt) werden bei dieser Ausführung eingesetzt. Zufuhrvorratsdrähte oder Stangen 87a und 87b werden durch elektrische Kontakte 42a und 43a und durch Druckdichtungen 45a und 45b zugeführt. Die Kontakte 43a und 42a sind elektrisch an elektrische Anschlußdrähte 43 bzw. 42 angeschlossen. Die Drähte 42 und 43 sind an den positiven und den negativen Kontakt der Stromversorgung 44 angeschlossen. Die Zufuhrvorräte 87a und 87b sind zusammen elektrisch verbunden, indem sie nach unten in das leitfähige Fluid 80 getrieben werden, das in dem Tiegel 11 enthalten ist. Die Zufuhrvorräte 87a und 87b werden widerstandsmäßig erhitzt, indem der Kontaktschalter 44a der Stromversorung 44 geschlossen wird. Indem man diese I²R-Anfangserhitzung des Zufuhrvorrats 87a und 87b über die Stromversorgung 44 ermöglicht, wird die gesamte Leistungsanforderung für den Induktionsheizer 35 vermindert. Die Strahlheizstromversorgung 54 ist an das Werkstück 70 über die Klemme 55 und das Kabel 53 durch den Schalter 54a angeschlossen, und es an den Strahl 82 über das Kabel 52 angeschlossen, das an die Stromversorgung 44 über das Kabel 43 angeschlossen ist, das wiederum an das leitfähige Fluid über den Kontakt 43a und den Zufuhrvorrat 87b angeschlossen ist. Es ist natürlich klar, daß die Stromversorgung 54 an das leitfähige Fluid über das Kabel 42 und den anderen Zufuhrvorrat 87a auf die gleiche Weise, wie beschrieben, hätte angeschlossen werden können.
Ein Filter 47 kann in Reihe mit der Strahldüse angeordnet sein, wobei das leitfähige Fluid zuerst durch den Filter und dann durch die Düse strömt, wo der Strahl gebildet wird.
Anstatt der Verwendung einer Stopfenstange (26), einer Abdichtkugel (26a) und eines Betätigers (26c), um einen Fluidstrom während des "Aus"-Zustands zu verhindern, kann eine Vakuumquelle verwendet werden, um einen "Sog" innerhalb des Behälters zu erzeugen, der die Schwerkraft überwinden würde, die auf die Flüssigkeit wirkt, was sie am Tropfen oder Lecken hindert.
Das Umkehren der Polarität der Stromheizversorgung (54) oder das Verwenden von AC-Strom kann sich beim Unterdrücken des beobachtenden Bogenbildens und Funkenbildens an der Werkstückoberfläche, und beim Minimieren der Werkstückoxidation als nützlich erweisen.
Die vorliegende Erfindung kann Verfahren zum Einleiten des Schneidefluidzufuhrvorats (87) in den Druckbehälter (10) des Düsenkopfs (9) einschließlich des Zuführens des Zufuhrvorrats als entweder Stange, Draht, Pulver oder flüssiges Metall angeben. Bei einem Beispiel wird der Zufuhrvorrat in den Druckbehälter bei dem vollen Betriebsdruck eingeleitet.
Die Erfindung kann angeben, einen elektrischen Stromfluß in einem Strom (Strahl) aus Metall einzusetzen, um die Stromtemperatur anzuheben. Bei einem Beispiel gibt die Erfindung die Verwendung des flüssigen Metallstrahls mit zugefügtem Strom (I²R-Erhitzen) für den Zweck des Schneidens und Schweißens an.
Die Erfindung kann den Einsatz von reinen Metallen als die Schneidefluide angeben, einschließlich Eisen, Aluminium, Zinn, Nickel, Titan, Gold, Platin, Silber, Magnesium und Kupfer in Kombination mit dem I²R-Zusatzheizverfahren.
Die Erfindung kann die Verwendung von bei niedrigen Temperaturen schmelzenden Metallen mit hohen Siedepunkttemperaturen für das Schneidefluid in Kombination mit dem I²R-Energiezugabeverfahren angeben. Beispiele eines geeigneten Schneide-(Arbeits-)fluids umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: Aluminium und Aluminiumlegierungen; Zinn- und Zinnlegierungen.
Die Erfindung kann die Verwendung der vorteilhaften Effekte des Legierens in dem Schnitt angeben, was die Schmelztemperatur des Werkstücks in der Nähe des Metallstrahls und der Kerbenfront senkt, in Kombination mit dem I²R-Heizverfahren.
Die Erfindung kann die Verwendung nicht-schmelzender Zugaben zu dem Arbeitsfluid angeben, wie z.B. Keramikpartikel und feuerfester Metallpartikel, die das Schneideverfahren durch Schleifwirkung und verstärkte Wärmeübertragung unterstützen würden, indem die Wechselwirkungszone des Strahls mit der Kerbenfront gerührt würde. Die Größe von Partikeln könnte in dem Bereich von ungefähr 0,2 bis ungefähr 20 μm liegen.
Die Erfindung kann die Verwendung der Levitationskraft der Induktion angeben, um den Fluidstrom aus flüssigem Metall aus dem Tiegel anzuhalten.
Die Erfindung kann die Technik angeben, die Hochdruckanforderung des Aufnahmebehälters von der Hochtemperaturanforderung zu trennen. Das wird gemacht, indem sowohl der Aufnahmebehälter (Tiegel) als auch seine Heizquelle in der Druckumgebung angeordnet werden.
Die Erfindung kann eine Technik angeben, Nichtmetalle oder im Großen und Ganzen elektrisch nichtleitfähige Materialien zu schneiden, unter Verwendung des I²R-erhitzten Flüssigkeitsstroms, und indem die elektrischen Verbindungen zu dem Strom an der stromabwärtigen Seite durch den Kontakt mit dem Arbeitsfluid in dem Druckbehälter (Tiegel) und auf der stromabwärtigen Seite durch den Kontakt durch den Strom mit einer separaten Stromsammelvorrichtung gemacht wird, die unter dem Werkstück angeordnet ist.
Die Erfindung kann die Verwendung der vorliegenden Erfindung für den Zweck von "Oberflächenplattieren" oder "Oberflächenschweißen" angeben, wobei ein Werkstück mit dem Arbeitsfluid beschichtet (oder plattiert) wird. Der Arbeitsfluidstrom wird manipuliert, um das Werkstück mit dem Arbeitsfluid zu beschichten.
Die Erfindung kann die Verwendung der vorliegenden Erfindung für den Zweck des "3D-Bildens" angeben, wobei eine dreidimensionale Struktur aus dem Arbeitsfluid aufgebaut (oder gebildet) wird. Der Arbeitsfluidstrom wird manipuliert unter Computerkontrolle, um eine freistehende dreidimensionale Struktur mit dem Arbeitsfluid aufzubauen. Ein Hauptgrund, warum ein Flüssigmetallstrahl einen erheblichen Vorteil über bestehende Techniken beim Schweißen, Beschichten und Bilden hat, ist der, daß das Arbeitsmaterial flüssig ist. Das erlaubt es, Flüssigkeit einer einzigartigen Zusammensetzung in dem Tiegel zu formulieren, indem verschiedene Arten von Zufuhrmischung über einem viel größeren Bereich als in dem festen Zustand variiert werden können. Wenn diese Flüssigkeit schnell in die feste Phase bei Raten von 10³ bis 10⁶ K/s gekühlt wird, wird eine Legierung mit einer nicht-ausgeglichenen Zusammensetzung erzeugt. Diese Zusammensetzung kann zugeschnitten werden, um feste Materialien mit einzigartigen Eigenschaften zu erzeugen, die im Großen und Ganzen bei kommerziellen Materialien nicht erhältlich sind. Als ein Beispiel können spezielle magnetische Eigenschaften bei Fe-Legierungen erzeugt werden. Hochstabile Aluminiumlegierungen (oder andere Leichtmetalllegierungen) können auf diese Weise aufgrund der feinen Formstruktur gemacht werden, die erzeugt wird. Das ist die Technik, die gasunterstützte Metallatomisierverfahren verwenden, um exotische Metallpulver zu erzeugen, die in der Pulvermetall- oder Wärmesprayindustrie eingesetzt werden. Das Verfahren des schnellen Kühlens/der schnellen Verfestigung von flüssigen Metallen ist den Fachleuten bekannt.
Die Fähigkeit, den Ort und die Größe des Ablagerungspunkts des Flüssigmetallstrahls (offensichtlich innerhalb von Micrometern) zu steuern, ist ein außergewöhnlicher Vorteil, im Vergleich zur bestehenden Spraytechnologie, die Gasstrahlen und Pulver verwendet. Derartige Techniken erzeugen Ablagerungspunktgrößen in der Größenordnung von Millimetern und leiden am Übersprayen und niedriger Ablagerungseffizienz. Überdies kann der Flüssigmetallstrahldurchmesser hinreichend klein gemacht werden (10tel bis 100tel von Mikrometern), damit schnelle Kühlraten in der Größenordnung von 10³ bis 10⁶ K/s (oft als Spritzkühlung bezeichnet) erreicht werden können. Die ungefähren Abmessungen der verfestigten Metallablagerung, die aus einem einzelnen Weg des flüssigen Metallstrahls über eine Oberfläche stammt, kann aus Tropfenverflachung und Verfestigungsmodellen abgeschätzt werden. Noch ein weiterer Vorteil des Flüssigmetallstrahls ist die Fähigkeit, Teilchen einzubringen, oder vielleicht sogar Faserverstärkung in die Ablagerung. Diese Teilchen können in das geschmolzene Metall in dem Tiegel eingeführt werden, oder sie können durch einen zweiten Gasstrahl auf die Ablagerungsstelle mitabgelagert werden.

Claims

System zum Schneiden mit einem Strahl aus einem elektrisch leitfähigem Fluid, um ein Werkstück zu modifizieren, mit: einem Ausgeber zum Ausgeben eines Strahlstroms (82) aus einem elektrisch leitfähigen Fluid (80); und gekennzeichnet durch das Vorsehen einer Energiequelle (54), die elektrisch an den Strahlstrom (82) gekoppelt (52, 50) ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Ausgeber einen Düsenkopf (9) umfaßt.
System nach Anspruch 2, bei dem der Düsenkopf (9) einen Tiegel (11) umfaßt.
System nach Anspruch 3, bei dem der Tiegel (11) ein Oberteil, eine Seitenwand und einen Boden umfaßt, wobei das Oberteil einen Einlaß und der Boden einen Auslaß umfaßt.
System nach Anspruch 3, bei dem der Tiegel (11) Bornitrid-Zirconiumoxid-Siliciumcarbid, Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Calciumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid-Bornitrid, kubisches Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Siliciumoxidverbundmaterialien oder Zirkoniumdiborid umfaßt.
System nach Anspruch 3, des Weiteren mit einem Heizer (30, 35), der an den Tiegel (11) gekoppelt ist.
System nach Anspruch 6, des Weiteren mit einer zweiten Energieversorgung (34), die elektrisch an den Heizer gekoppelt ist.
System nach Anspruch 2, bei dem der Düsenkopf (9) einen Einlaß (17c) zum Empfangen eines Zufuhrvorrats (87) des leitfähigen Materials (80) umfaßt.
System nach Anspruch 1, bei dem das leitfähige Material (80) Weichstahl, Aluminium, Aluminiumlegierung, Zinn, Edelstahl, Eisen, Gußeisen, Werkzeugstahl, Kupfer, Zink, Gold, Silber oder Platin umfaßt.
System nach Anspruch 2, bei dem der Düsenkopf (9) einen Druckaufnahmebehälter (10) umfaßt.
System nach Anspruch 2, bei dem der Düsenkopf (9) eine Elektrode (50) umfaßt, die in dem Tiegel (11) angeordnet ist, um eine elektrische Verbindung mit dem Strahlstrom (82) auszubilden.
System nach Anspruch 11, bei dem die elektrische Verbindung geschmolzenes Fluid (80) umfaßt, das aus einem Zufuhrvorrat (87) aus leitfähigem Material gebildet ist.
System nach Anspruch 2, bei dem der Düsenkopf (9) eine Austrittsöffnung (5) umfaßt.
System nach Anspruch 2, bei dem der Düsenkopf (9) des Weiteren eine Düse (5, 12, 13, 14) umfaßt.
System nach Anspruch 14, bei dem die Düse eine Scheibe (12) mit einer Durchgangsöffnung (5) umfaßt.
System nach Anspruch 15, bei dem die Scheibe (12) ein Material umfaßt, das aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid, Calciumoxid-stabilisiertem Zirconiumoxid, Bornitrid-Zirkoniumoxid-Siliciumcarbid, Bornitrid, kubischem Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Siliciumoxidverbundmaterialien und Zirkoniumdiborid ausgewählt ist.
System nach Anspruch 15, bei dem die Durchgangsöffnung (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
System nach Anspruch 6, bei dem der Heizer (30, 35) einen AC-Widerstandsheizer (30), einen DC-Widerstandsheizer, einen Induktionsheizer (35) oder eine Verbrennungsbrenner-Heizanordnung umfaßt.
System nach Anspruch 3, bei dem der Tiegel (11) ein feuerfestes Material aufweist.
System nach Anspruch 3, bei dem der Tiegel (11) ein keramisches Material aufweist.
System nach Anspruch 3, bei dem der Tiegel (11) ein Material umfaßt, das aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Bornitrid und Graphit ausgewählt ist.
System nach Anspruch 3, bei dem der Tiegel (11) aus einer zirkoniumhaltigen Verbindung gebildet ist, die elektrisch leitfähig ist, und dagegen widerstandsfähig ist, sich in der Gegenwart einer metallischen Schmelze (80) aufzulösen.
System nach Anspruch 22, bei dem der Tiegel (11) Zirkoniumdiborid oder Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid umfaßt.
System nach Anspruch 15, bei dem die Düsenscheibe (12) aus einer zirkoniumhaltigen Verbindung ausgebildet ist, die elektrisch leitfähig ist, und dagegen widerstandsfähig ist, in der Gegenwart einer metallischen Schmelze aufgelöst zu werden.
System nach Anspruch 24, bei dem die Düsenscheibe (12) Zirkoniumdiborid umfaßt.
System nach Anspruch 8, bei dem der Ausgeber einen Düsenkopf (9) mit mindestens zwei Einlässen (45a, 45b) umfaßt, um mehrere Zufuhrvorräte (87a, 87b) aus leitfähigem Material (80) zu empfangen.
System nach Anspruch 26, bei dem eine Energiequelle (44) an zumindest einen Zufuhrvorrat (87) angeschlossen (42, 43) ist.
System nach Anspruch 6, bei dem der Ausgeber einen Düsenkopf (9) mit einem Tiegel (11) hat, an den ein Induktionsheizer (35) mit einer charakteristischen Frequenz gekoppelt ist, die auf den Wert des leitfähigen Fluids (80) in dem Tiegel kalibriert werden kann.
System nach Anspruch 3, bei dem der Ausgeber einen Düsenkopf (9) mit einem Tiegel (11) hat, der einen Filter (47) für leitfähiges Fluid umfaßt.
Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks (70) mit: (a) Bereitstellen eines Strahlstroms (82), der ein elektrisch leitfähiges Fluid (80) aufweist; und (c) Richten des Strahlstroms (82) auf das Werkstück, um das Werkstück zu modifizieren, dadurch gekennzeichnet, daß (b) ein elektrischer Strom in den Strahlstrom (82) gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (b) das Erhitzen des Strahlstroms (82) umfaßt, indem elektrischer Strom durch den Strahlstrom (82) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (a) (a1) Bereitstellen eines Zufuhrvorrats (87) aus leitfähigem Material, (a2) Erwärmen des Zufuhrvorrats (87), um das leitfähige Fluid (80) zu bilden; und (a3) Leiten des leitfähigen Fluids durch eine Austrittsöffnung (5) umfaßt, um dadurch den Strahlstrom (82) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (a) das Bereitstellen eines kontinuierlichen Strahlstroms (82), eines gepulsten Strahlstroms (82), eines stetigen Strahlstroms (82) oder eines unstetigen Strahlstroms (82) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem der Zufuhrvorrat (87) einen Draht, eine Stange oder ein Pulver aufweist.
Verfahren nach Anspruch 30, des Weiteren mit dem Schritt des (d) Absenken eines Schmelzpunkts des Werkstücks (70).
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem Schritt (d) das Absenken des Schmelzpunkts durch Bilden einer Legierung aus dem Werkstück (70) mit dem Zufuhrvorrat (87) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 32, bei der Zufuhrvorrat (87) zumindest Gußeisen, Weichstahl, Werkzeugstahl, Zinn, Nickel, Titan, Gold, Platin, Silber, Magnesium oder Kupfer umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem das leitfähige Fluid (80) Material mit einem Schmelzpunkt niedriger als 1000 K und einem Siedepunkt höher als 2500 K aufweist.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem das leitfähige Fluid (80) eine Vielzahl nicht-schmelzender Partikel enthält.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die nicht-schmelzenden Partikel Schleifmittel sind.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (c) Schneiden, Markieren, Durchstoßen oder Schweißen des Werkstücks (70) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (b) das Anlegen eines Stroms an den Strahlstrom (82) durch eine Elektrode (50, 52), die an das leitfähige Fluid gekoppelt ist, und einen Stromsammler (57, 83) umfaßt, der in der Nähe des Werkstücks (70) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (a) des Weiteren (4a, 4b) das Bereitstellen einer Levitationskraft auf das leitfähige Fluid (80) umfaßt, um die Austrittsöffnung (5) zu verstopfen.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem Schritt (a) das Zuführen des leitfähigen Fluids (80) durch einen Düsenkopf (9) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem Schritt (a) das Leiten des leitfähigen Fluids (80) durch eine Düse (5, 12) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, des Weiteren mit dem Bereitstellen eines Schutzgases (27) für den Strahlstrom (82).
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem Schritt (a) das Leiten des leitfähigen Fluids (80) durch eine Austrittsöffnung (5) eines Düsenkopfs (9) unter Druck umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem der Düsenkopf (9) unter Druck gesetzt wird, indem ein inertes Gas zugeführt (18, 20, 22, 23) wird.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (b) das Erwärmen des Strahlstroms (82) durch Ohm'sche Leistungsdissipation umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (b) das Erwärmen des Strahlstroms (82) auf eine Temperatur umfaßt, die wesentlich oberhalb einer Schmelztemperatur des leitfähigen Fluids (80) liegt.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (c) das Regeln einer Eindringtiefe des Strahlstroms (82) bei dem Werkstück (70) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt (c) das Einstellen einer Geschwindigkeit des Strahlstroms (82) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem Schritt (a) das Regeln eines Drucks des leitfähigen Fluids (80) umfaßt, das den Strahlstrom (82) bildet.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem Schritt (a2) des Weiteren das Regeln einer Temperatur des leitfähigen Fluids (80) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 30, des Weiteren mit dem Bewegen des Werkstücks relativ zu dem Strahlstrom.
Verfahren nach Anspruch 30, des Weiteren mit dem Bereitstellen eines Stromsammlers mit einem leitfähigen Material, der unterhalb des Werkstücks angeordnet ist, wobei der Stromsammler einen elektrischen Kontakt mit dem Strahlstrom bildet.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem der Zufuhrvorrat und das Werkstück das gleiche Material umfassen.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem der Zufuhrvorrat und das Werkstück unterschiedliche Materialien umfassen.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem der Zufuhrvorrat Zinn, Aluminium, Eisen oder Weichstahl ist.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem Schritt a) des Weiteren das Filtern des leitfähigen Fluids umfaßt.