DE69014304T2

DE69014304T2 - Plasmalichtbogenbrenner mit verbessertem düsenschild und stufenfluss.

Info

Publication number: DE69014304T2
Application number: DE69014304T
Authority: DE
Inventors: Richard Couch; Nicholas Sanders
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 1989-08-17
Filing date: 1990-07-10
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2010-07-11
Also published as: WO1991002619A1; AU6162390A; JPH05501081A; EP0487573A4; US5120930A; AU644807B2; DE69032704D1; CA2065025C; JP2739522B2; DE69014304D1; EP0487573A1; DE69032704T2; EP0585977A1; CA2065025A1; EP0585977B1; EP0487573B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Plasmalichtbogen-Schneidbrenner. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Plasmalichtbogen-Schneidbrenner und ein Verfahren, welche die Düse vor einer Aushöhlung und der Ausbildung eines doppelten Lichtbogens während des Durchdringens und Schneidens metallischer Werkstücke schützen.
Die grundlegenden Bestandteile moderner Plasmalichtbogen-Brenner beinhalten ein Brennergehäuse, eine innerhalb des Gehäuses montierte Elektrode (Kathode), eine Düse (Anode) mit einer mittleren Öffnung, die einen Pilotlichtbogen zu der Elektrode hin erzeugt, um einen Plasmalichtbogen im Strom eines geeigneten Gases, typischerweise Stickstoff, auszulösen, und zugeordnete elektrische Verbindungen, Durchtritte zur Kühlung und Lichtbogensteuerungsfluide sowie typischerweise einen an der Vorderfläche des Brenners unmittelbar neben dem Werkstück montierten keramischen Einsatz.
Es sind verschiedene Plasmalichtbogen-Brenner bekannt, welche die Strömungsdynamik der das Plasma erzeugenden Fluide steuern. Einer der Anmelder ist zum Beispiel der Inhaber des US-Patents Nr. 3,641,308, das die Strömung eines in der Düse des Brenners entwickeften Kühlwassers verwendet, um den Plasmalichtbogen zur Erzeugung eines Schnittes besserer Qualität einzuengen. Bei jedem Brenner muß auch eine Kühlung vorgesehen sein, da der Plasmalichtbogen Temperaturen oberhalb von 10000ºC erzeugt, die, wenn sie nicht gesteuert werden, die Düse zerstören könnten. Wasserkühlung wurde bis jetzt bevorzugt, da die Wärmeübertragungsfähigkeit von Wasser viel größer ist als die jeden Gases, und Wasser ist eine ohne weiteres zur Verfügung stehende, kostengünstige Flüssigkeit. Beim Durchdringen von Metall ist jedoch ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt für den Entwurf der Ausstoß geschmolzenen Metalls von der geschnittenen Kerbe zurück auf den Brenner, wodurch die Düse zerstört werden kann. Es gibt zwei prinzipielle Arten für diese Zerstörung. So kann erstens von der geschnittenen Kerbe ausgestoßenes Metall den Plasmastrahl stören, wodurch ein Aushöhlen der Düse durch ihn verursacht wird. Zweitens kann sich das geschmolzene Metall verfestigen und an der Vorderfläche der Düse haften bleiben, wodurch letztendlich eine elektrische Überbrückung zwischen der Düse und dem Arbeitsstück verursacht wird. Dies führt zu einer "doppelten Lichtbogenbildung", wodurch die Lebensdauer einer Düse drastisch verringert werden kann.
Es gab mehrere Ansätze zur Lösung der durch den Ausstoß geschmolzenen Metalls verursachten Probleme der Aushöhlung und der Ausbildung eines doppelten Lichtbogens. Bei Starkstrom-Plasmaschneidbrennern (200 A und mehr) bestand die Lösung darin, eine mehrstückige Düse mit Wassereinspritzkühlung zu verwenden. Eine typische derartige Düse der von Hypertherm, Inc. hergestellten Bauart ist in Fig. 1A und 1B schematisch vereinfacht dargestellt. In Fig. 1A, die den Hypertherm-Modellen HT400 0.099, HT400 0.166 und PAC500 0.187 entspricht, besteht die Vorderfläche der Düse aus einer Keramik. Diese Anordnung steuert das Aushöhlen und die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens, da (1) die keramische Düsenfläche nichtleitend ist und daher keine Ausbildung eines doppelten Lichtbogens verursacht und (2) die Düse durch die keramische Barriere geschützt ist. Darüber hinaus hemmen die ausgezeichneten Kühleigenschaften von Wasser, das durch Kühlung des keramischen Düsenstücks und durch Wasserdampfkühlung des während des Durchstoßens ausgestoßenen geschmolzenen Metalls wirkt, ein Bonden oder Verschmelzen des geschmolzenen Metalls mit dem keramischen Element oder im Extremfall einen Angriff der Keramik. Fig. 1B zeigt eine Abwandlung der Starkstrom-Mehrfachkomponentendüse, die der durch Hypertherm als ihr Modell PAC500 0.250 verkauften Düse ähnlich ist. Wiederum ist der Schlüssel zur Lösung eine radiale Wassereinspritzung, doch ist das keramische Düsenstück durch ein Vorderstück aus Kupfer ersetzt. Ein isolierendes Element trennt die Düsenbestandteile, so daß der Vorderteil der Düse elektrisch erdftei ist. Das Kupfer läßt sich leichter kühlen als die Keramik, und es widersteht einem Mißbrauch deutlich besser und hat daher eine längere Lebensdauer.
Bei Niederstrombetrieb, 0-200 A, wird Wasserkühlung weniger praktisch. Neben den offensichtlichen, zusätzlichen Kosten des Wasserkühlungsystems und der Herstellung einer mehrteiligen Düse zieht bei diesen niedrigeren Leistungspegeln eine Wasserkühlung zuviel Energie von dem Plasma ab. Das Problem der starken Düsenabnutzung aufgrund des Durchdringens bleibt jedoch. Bis jetzt bestand die einzige den Anmeldern bekannte, kommerziell tragbare Lösung darin, eine Kupferdüse aus einem einzigen Stück zu verwenden, keine Maßnahmen zu ergreifen, um sie vor verspritztem, geschmolzenem Metall zu schützen, und den Betrieb auf Ströme unterhalb 150 A zu beschränken. Manchmal ist die Düse gasgekühlt, und das Gas kann als Schutzgas dienen, doch es besteht kein Durchdringungsschutz für die Düse. Die Metallschmelze kann den Plasmalichtbogen ablenken und tut dies auch, so daß er die Düse aushöhlt und kann sich an der Düsenvorderfläche anlagern, was es auch tut, wodurch die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens verursacht wird. Da diese Düse verhältnismäßig kostengünstig herzustellen ist, akzeptiert man in der industriellen Praxis die Zerstörung der Düse und deren periodischen Austausch. Eine typische Lebensdauer für eine Düse dieser Bauart bei einem Betrieb von 40-50 A ist ungefähr eine Betriebsstunde, wenn sie zum Durchdringen von schweißbarem Stahl der Dicke 6,35 mm (1/4 inch) verwendet wird.
Fig. 2A zeigt in vereinfachter schematischer Form eine typische einstückige Niederstromdüse dieser Bauart. Wie gezeigt, so läuft die Kühlgasströmung typischerweise entlang der äußeren Oberfläche der Düse zu dem Werkstück hin. Düsen dieser Bauart werden durch Hypertherm, Inc. als ihre Modellnummern HT40 0.038 und MAX100 0.059 verkauft. Es wurden Versuche unternommen, einstückige Niederstromdüsen zu schützen. Ein Versuch ist in Fig. 2B gezeigt. Eine keramische Isolierhülle ist an der Außenseite der Düse befestigt. Dies ist ein sogenannter "Abschirinbecher". Sein hauptsächlicher Zweck ist es, einen Düse-Werkstück- Kontakt zu unterbinden. Ein Benutzer kann dann das Werkstück berühren oder den Brenner auf dem Werkstück ziehen, ohne daß es zu einer doppelten Lichtbogenbildung kommt. Diese keramische Hülle bietet jedoch während des Durchdringens keinen Schutz vor verspritzer Metallschmelze und den damit verbundenen Problemen des Aushöhlens und der Ausbildung eines doppelten Lichtbogens. Der keramische Schirm ist auch (1) spröde und bricht leicht und (2) wird, da er den Schutz der Wasserkühlung nicht hat, durch die von dem Schnitt ausgestoßene Metallschmelze angegriffen.
In allen der in den Figuren 1A - 2B gezeigten Entwurfen des Stands der Technik gibt es keine Anordnung, um die gegenseitige Beeinflussung des Kühlfluids und des Schnitts zu steuern. Es ist auch keine Anordnung offenbart, die für einen zusätzlichen Schutz der Düse während eines anfänglichen Durchdringens des Metalls im Vergleich zu normalen Schneidbedingungen, sobald das Metall durchdrungen ist, sorgt.
Ein Austausch einstückiger Düsen kann zwar in dem Bereich von 0-50 A akzeptierbar sein, doch tritt in dem Bereich von 50-200 A der Metallschmelze- Schaden an der Düse so schnell auf, daß ein Austauschen der Düse wirtschaftlich unerwünscht ist. Das Problem ist bei erhöhten Strömen schlimmer, so daß kommerzielle Plasmalichtbogen-Schneidbrenner, die einstückige Düsen verwenden, für einen Betrieb oberhalb 150 A noch nicht zur Verfügung stehen.
In unserem Patent EP-A-0 375 474 (Artikel 54.3 EPÜ) haben wir einen Plasmalichtbogen-Schneidbrenner beschrieben, der bei Stromhöhen von 0-200 A oder sogar noch höher ohne die Verwendung einer Wasserkühlung betrieben werden kann. In diesem Brenner wird die Düse vor einer Aushöhlung und der Ausbildung eines doppelten Lichtbogens durch die Bereitstellung von Löchern geschützt, die in der Vorderfläche eines Düsenschirms mit einem Austritt für den Plasmalichtbogen und parallel zu der Brennerlängsachse und der Schirmaustrittsdüse ausgebildet sind, um einen Anteil des sekundären Gasstroms ausströmen zu lassen. Bei hohen Seknndärgas-Strömungsraten, wie sie während des Durchdringens verwendet werden, hat man jedoch herausgefunden, daß das ausgeströmte Gas auf das Werkstück auftreffen und den Plasmalichtbogen destabilisieren kann.
Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen Plasmalichtbogen- Schneidbrenner und ein Verfahren bereitzustellen, wodurch die Brennerdüse vor einer Aushöhlung und der Ausbildung eines doppelten Lichtbogens geschützt wird, ohne daß man eine Wasserkühlung verwendet, während man bei Stromwerten von 0-200 A oder sogar höher arbeitet, und wodurch ein zusätzlicher Schutz für die Düse beim Durchdringen bereitgestellt wird.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Plasmalichtbogenbrenner und ein Verfahren mit den vorhergehenden Vorteilen bereitzustellen, wobei eine Gaskühlung verwendet wird, wobei jedoch das aus der Düse während des Schneidens austretende Gas die Schneidwirkung des Lichtbogens nicht stört oder die Qualität des Schnitts verschlechtert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorhergehenden Vorteile mit einer einstückigen Düse bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorhergehenden Vorteile unter Verwendung ersetzbarer Bestandteile und von Standardmaterialien bereitzustellen, die angepaßt werden können, um bestehende Plasmalichtbogenbrenner nachzüsten, die keinen Durchdringungsschutz haben.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, die vorhergehenden Vorteile bereitzustellen, wobei man günstige Herstellungskosten beibehält.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Plasmalichtbogenbrenner hat ein Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses montierte Elektrode und eine an dem Gehäuse an einem unteren Ende des Brenners neben dem zu schneidendem Werkstück montierte Düse. Eine Beabstandung zwischen der Elektrode und der Düse legt einen Teil eines primären Gasströmungspfades für Gas fest, das ionisiert wird, um einen Plasmalichtbogen zu erzeugen. Das Gehäuse hat innere Durchlässe zur Bereitstellung des primären Gases, und die Düse hat eine Auslaßöffnung, von der der Plasmalichtbogen von dem Brenner austritt, sobald der Lichtbogen auf das Werkstück zur Durchdringung übergreift. Der Brenner enthält auch Stromleiter, die einen Gleichstrom typischerweise im Bereich von 0-200 A zu dem Elektrode-Düse-Paar einführen.
Ein aus einem Material mit einer großen thermischen Leitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer, gebildeter, becherförmiger Schirm ist an dem unteren Ende des Brenners montiert, um die Düse im wesentlichen beabstandet zu umschließen, ausgenommen (i) eine mittlere Austrittsöffnung, die allgemein mit der Düsenöffnung ausgerichtet ist, und (ii) zumindest ein, vorzugsweise aber mehrere Ausströmlöcher, die um die Austrittsöffnung gleichwinklig beabstandet sind und in der Vorderfläche des Schirms unmittelbar gegenüber dem Werkstück liegen. Ein aus einem dielektrischen Material gebildeter Montierring stützt den Schirm und isoliert ihn elektrisch gegenüber dem Gehäuse, so daß der Schirm elektrisch "erdfrei" ist. Ein sekundärer Gasströmungspfad durch das Brennergehäuse richtet einen Strom von Kühlgas zu dem Raum zwischen der Düse und dem Schirm. Die sekundäre Strömung tritt vorzugsweise zuerst in eine Plenumkammer ein, die in dem Gehäuse durch eine auf das Gehäuse geschraubte Kappe gebildet ist, wodurch wiederum der dielektrische Montierring gestützt wird. Die Plenumkammer führt das Kühlgas durch einen Satz abgeschrägter bzw. geneigter Brennermäuler zu, die in einem Flansch der Kappe ausgebildet sind, um den sekundären Gasstrom zu verwirbeln. Ein Anteil des Verwirbelungsstroms tritt aus dem Brenner durch die in der Vorderfläche des Schirms ausgebildeten Ausströmlöcher aus. Der verbleibende Gasstrom wird auf den Plasmalichtbogen gerichtet und stabilisiert ihn. Die Strömung kühlt die Vorderfläche des Schirms. Die Anzahl und die Dimensionen der Ausströmlöcher, des Austrittsöffnungsdurchmessers, die Beabstandung Schirm-Düse und die sekundäre Gasströmungsrate werden empirisch miteinander für jede Anwendung korreliert, um die zuvor erwähnte Stabilisierung und eine ausreichende Kühlung des Schirms zu erzeugen, um dem Haften oder dem Verschmelzen von Metallschmelze auf dem Schirm zu widerstehen. Die obere Kante des Schirms an der Austrittsöffnung ist vorzugsweise abgerundet, um das sanfte Zusammenströmen und Austreten von dem Brenner bei dem verbleibenden Kühlgasstrom und dem Plasmalichtbogen (der ionisierte primäre Gasstrom) zu erleichtern.
In dem Brenner der vorliegenden Erfindung sind die Ausström-Brennermäuler von dem Plasmalichtbogen vorzugsweise unter einem Winkel von 5º bis 90º zu der Vertikalen (der Richtung des Lichtbogens, quer zu dem Metallwerkstück) weggerichtet. Der am meisten bevorzugte Winkel ist ca. 55º und durch eine gerade zylindrische Bohrung in einer gewinkelten Seitenwand des Düsenschirms gebildet. Das Ausmaß der Abwinklung, und zwar entweder von der Bohrung, der Seitenwand oder einer Kombination beider, wird mit der besonderen Anwendung korreliert, um sicherzustellen, daß das durch die Ausström-Brennermäuler austretende, überschüssige sekundäre Kühlgas die Wirkung des Lichtbogens bei der Durchführung des Schnitts nicht stört.
Die Leitung des sekundären Gasstroms enthält vorzugsweise einen Mechanismus, um die Strömungsrate des sekundären Kühlgases schnell und zuverlässig zu ändern, damit eine Anpassung an Änderungen der Betriebsbedingungen des Brenners durchgeführt werden kann. In einer bevorzugten Form gestattet ein elektrisch betätigtes Ventil in einem Parallelzweig in der Strömungsleitung eine starke Strömung, wenn das Ventil offen ist. Dieser Zustand bewirkt eine wesentliche Kühlung der Düse, die ausreicht, um die Düse selbst unter den äußerst unwirtlichen Bedingungen zu schützen, die man beim Durchdringen eines Metallwerkstücks antrifft. Nach dem Durchdringen schließt dieses Ventil, und das sekundäre Gas strömt durch einen zweiten Parallelzweig, der ein anderes Ventil enthält, das eingestellt ist, um eine viel kleinere Strömung zu gestatten, die für ein normales Schneiden des Werkstücks geeignet ist, ohne daß das Kühlgas die Schnittqualität verschlechtert.
Mit dieser Struktur hat man einen Gasstrom gefunden, der zur ausreichenden Kühlung des Schirms ausreicht, um seine Zerstörung durch die Metallschmelze oder das Plasma selbst zu verhindern trotz der Tatsache, daß die spezifische Wärme des Gases um ein Vielfaches kleiner ist als diejenige von Kühflüssigkeiten, wie insbesondere Wasser. Es hat sich auch erwiesen, daß die Strömung die Qualität des durch den Brenner ausgeführten Schnitts deutlich verbessert. Die Ausström-Brennermäuler und Austrittsöffnungen sind verhältnismäßig kleine Öffnungen, so daß der Schirm im wesentlichen die gesamte Metallschmelze abblockt, die ansonsten die Düse schnell zerstören würde. Ein Anordnen der Ausström-Brennermäuler in der Seitenwand des Düsenschirms anstatt seiner Vorderfläche gegenüber dem Werkstück hilft auch zur Abschirmung der Düse gegen verspritzte Metallschmelze.
Als Prozess ausgedrückt, umfaßt die vorliegende Erfindung die folgende Schritte:
Abblocken der von dem Schnitt ausgestoßenen Metallschmelze unter Verwendung eines Schirms, damit sie die Düse nicht erreicht; Kühlen des Schirms mit einem sekundären Gasstrom und Ausströmenlassen eines Anteils der Strömung, um die gesamte Strömungsrate zu erhöhen; Verwirbeln der Strömung mit einer ausreichenden Geschwindigkeit und Massenströmungsrate, um einen Schnitt guter Qualität zu bewirken; und Wegrichten der ausgeströmten Stömung von dem Lichtbogen, um eine Störung des Schnitts zu vermeiden. Das Verfahren enthält vorzugsweise auch einen Schritt zur Steuerung der sekundären Gasströmungsrate in Abhängigkeit der durch den Brenner durchgeführten Betriebsarten.
Diese und andere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende genauere Beschreibung besser verständlich, die zusammen mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist eine vereinfachte vertikale Querschnittsansicht einer Elektrode und Mehrstückdüse vom Stand der Technik eines Wassereinspritz- Plasmalichtbogenbrenners für Starkstrom;
Fig. 1B ist eine Fig. 1A entsprechende Ansicht einer alternativen, mehrstükkigen Wassereinspritz-Düse vom Stand der Technik;
Fig. 2A ist eine vereinfachte, vertikale Querschnittsansicht eines einstückigen Lichtbogenbrenners des Stands der Technik zur Verwendung mit niedrigen Strömen;
Fig. 2B ist eine Fig. 2A entsprechende Ansicht eines alternativen einstückigen Düsenausführungsbeispiels des Stands der Technik zur Verwendung mit niedrigen Strömen, das einen zylindrischen keramischen Schirm verwendet;
Fig. 3A ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Plasmalichtbogen- Schneidbrenners gemäß EP 0 375 747;
Fig. 3B ist eine detaillierte Ansicht der Düse, der Kappe, des Schirms und der Gasstrompfade des in Fig. 3A gezeigten Plasmalichtbogenbrenners und gestricheft des sekundären Gasstrompfads gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht mit herausgebrochenen Abschnitten des unteren Abschnitts des in Fig. 3A und 3B gezeigten Plasmalichtbogenbrenners;
Fig. 5A ist eine zerlegte Perspektivansicht des in Fig. 4 gezeigten Brenners;
Fig. 5B ist eine Perspektivansicht des in Fig. 4 und 5A gezeigten Brenners;
Fig. 6 ist eine Fig. 4 entsprechende Perspektivansicht die jedoch eine alternative Schirmkonfiguration zeigt;
Fig. 7 ist eine vereinfachte Draufsicht von der Seite und teilweise im Schnitt, die den Plasma-Lichtbogenbrenner der Fig. 3A bis 6 beim Durchdringen eines Werkstücks zeigt;
Fig. 8 ist eine vertikale Schnittansicht der geschnittenen Kerbe in dem in Fig. 7 gezeigten Werstück nach dem Durchdringen; und
Fig. 9 ist eine Fig. 3A entsprechende vertikale Schnittansicht, die ein System zeigt, mit dem man das ausgeströmte Gas von dem Schnitt erfindungsgemäß wegrichten kann.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Fig. 3A und 3B zeigen in vereinfachter Form einen gemäß EP 0 375 747 konstruierten Plasmalichtbogenbrenner 10. Der Brenner 10 hat ein Gehäuse 12, eine Elektrode 14, eine Düse 16 mit einer Düsenöffnung 18, eine auf das Gehäuse geschraubte Kappe 20 und einen auf die Kappe geschraubten oder anderweitig befestigten Isolierring 22. Wie man auch in Fig. 7 und 8 sieht, trifft ein Plasmalichtbogen 24 auf ein Werkstück 26 auf, wie zum Beispiel ein dickes Blech aus schweißbarem Stahl, wo es das Metall durchdringt und eine geschnittene Kerbe 27 erzeugt. Metallschmelze wird an dem Ort des Durchdringens anfänglich seitwärts ausgestoßen, doch wenn der Schnitt in das Werkstück tiefer wird, wird Metallschmelze 26a mehr vertikal ausgestoßen, so daß sie auf die Düse 16 zurückgerichtet ist. Der Ausstoß geschmolzenen Metalls von dem Werkstück auf die Düse ist sehr stark und schädigt die Düse höchstwahrscheinlich während dieses anfänglichen Durchdringens. Während des normalen Schneidens kann die Metallschmelze aus der Kerbe unter dem Einfluß der Schwerkraft herauslaufen. Daher wird es während des Schneidens weniger kritisch, die Düse zu kühlen, jedoch kritischer, um Störungen zwischen dem aus der Düse austretenden Kühlgas und der Schneidwirkung des Lichtbogens in der Kerbe zu vermeiden.
Wie gezeigt, ist das Gehäuse 12 ein allgemein massives, zylindrisches einzeInes Stück mit verschiedenen inneren Durchlässen und Ausnehmungen, um die notwendigen Fluidstromdurchlässe und elektrischen Verbindungen entweder allein oder im Zusammenwirken mit anderen Bestandteilen bereitzustellen. Das Gehäuse kann jedoch aus mehreren Stücken mit irgendeiner aus einer großen Vielfalt von Konfigurationen gebildet sein, vorausgesetzt, daß sie für die notwendigen Stützfunktionen sorgen und die notwendigen inneren Durchlässe bilden. In der gezeigten, bevorzugten Form ist ein Stromring 28 an der äußeren Oberfläche des Gehäuses 12 in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Ausnehmung 12a befestigt. Der Stromring ist aus einem Material gebildet, das gute elektrische Leitfähigkeitseigenschaften hat, wie zum Beispiel Messing, und ist mit einer Pilotlichtbogenzuleitung 30 elektrisch verbunden, die duch das obere Ende (wie gezeigt) des Gehäuses 12 hindurch verläuft. Die Kappe 20 ist auch aus einem guten Leiter gebildet, wie zum Beispiel Kupfer oder Messing, und schließt einen Pilotlichtbogenschaltkreis zu der Düse 16, die austauschbar zwischen einem Kappenflansch 20a und einer kreisförmigen, an dem unteren Ende des Gehäuses 12 gebildeten Ausnehmung 12b festgeklemmt ist. Die Ausnehmung 12b und die Kappe 20 richten auch die Düse radial innerhalb des Brenners aus. Das Gehäuse hat auch eine mittlere Bohrimg 12c, welche die Elektrode 14 austauschbar in elektrischer Verbindung mit einer Stromzuleitung 32 hält, die auch durch das obere Ende des Gehäuses 12 hindurch verläuft. Die Ausnehmung 12b richtet auch die Elektrode so aus, daß sie im allgemeinen von der inneren Oberfläche der Düse gleichförmig beabstandet ist, um dazwischen eine Plasmakammer 34 festzulegen. Eine Gasröhre 36 tritt durch das Gehäuse 12 hindurch, um einen primären Strom eines herkömmlichen Gases, wie zum Beispiel Stickstoff, zu der Kammer zu leiten, wo es ionisiert wird und den aus der Düsenöffnung 18 austretenden Plasmalichtbogen 24 bildet.
Ein Düsenschirm 38 ist an seiner oberen Seitenwand 38a an den Isolierring 22 geschraubt. In der in Fig. 3a und 3b gezeigten vereinfachten Form hat der Schirm eine abgestufte, becherähnliche Konfiguration einschließlich einer unteren, allgemein zylindrischen Seitenwand 38b, einer Vorderfläche 38c und einer zurückversetzten Vorderfläche 38d, welche die Seitenwände 38a und 38b überbrückt und verbindet. Der Schirm wird vorzugsweise als ein einstückiges Bestandteil aus einem Metall mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit durch maschinelle Bearbeitung hergestellt. Kupfer wird bevorzugt. Der Schirm 38 ist so konfiguriert, daß er von dem Kappenflansch 20a und der Düse beabstandet ist, um einen Gasstromdurchlaß 40 festzulegen. Die Vorderfläche 38c des Schirms hat eine Austrittsöffnung 42, die mit der Düsenöffnung 18 ausgerichtet ist, um einen freien Austrittspfad für den Plasmalichtbogen bereitzustellen. Sie beinhaltet auch einen Satz im allgemeinen gleichwinklig beabstandeter Löcher 44, die von der Austrittsöffnung radial beabstandet sind.
Ein sekundärer Gasstrompfad 46 richtet einen Strom 48 eines Kühlgases, wie zum Beispiel Stickstoff, von einer durch das Gehäuse 12 hindurchtretenden Röhre 50 zu einer Plenumkammer 52 (festgelegt durch die Kappe, die gegenüberliegende äußere Wand des Brennergehäuses und dem festgeklemmten Abschnitt der Düse) und dann durch einen sich in dem Kappenflansch 20a befindenden Satz von Brennermäulern 54 zu dem Raum 40. Die Plenumkamrner 52 stellt einen lokalen Aufnaumebehälter für Gas bereit, das den Strom durch den Raum 40 vor Ausgleichsschwankungen in dem Gasdruck oder der Strömungsrate in dem Zufuhrrohr 50 isoliert. Die Brennermäuler 54 sind vorzugsweise gleichwinklig beabstandet und haben eine derartige Größe, daß sie eine ausreichende Gasströmungsrate durch den Raum 40 erzeugen, um den Schirm 38 auf ein Ausmaß abzukühlen, welches das Anhaften ausgestoßener Metallschmelze hemmt. Die Brennermäuler sind auch in Umfangsrichtung gewinkelt, um in dem Gasstrom 48 durch den Durchlaß 40 eine Verwirbelungsbewegung zu induzieren. Es hat sich gezeigt, daß diese Verwirbelung auf signifikante Weise mit der Qualität der geschnittenen Kerbe in Beziehung steht, die in dem Werkstück durch den Plasmalichtbogen erzeugt wird. Der Grad der Abwinkelung dieser Brennermäuler steht mit der Gasströmungsrate in Beziehung. Mit bekannten Brennern und für typischen Schneidbetrieb hat sich eine Abwinkelung von 1º bis 5º und vorzugsweise 2º als besonders bevorzugt erwiesen.
Die Löcher 44 lassen einen Anteil des Gasstroms 48 ausströmen, um eine verstärkte Strömungsrate und daher eine erhöhte Kühlung zu ermöglichen. Der verbleibende Gasstrom 48a, welcher von den Ausströmlöchern 44 zu der Austrittsöffnung 42 nach innen verwirbelt wird, (1) kühlt die Vorderfläche 38c und (2) stabilisiert den Plasmalichtbogen, d.h. er unterstützt die Steuerung des Ortes und des Durchmessers des Lichtbogens, so daß er weder die Düse noch den Schirm angreift oder aushöhlt. Die obere Kante der Austrittsöffnung ist abgerundet, um den Übergang des verbleibenden Gasstroms 48a zu glätten, wenn er auf den Plasmalichtbogen trifft und mit ihm wechselwirkt und dann nach unten aus der Austrittsöffnung 42 herausströmt.
Fig. 4-6 veranschaulichen eine kommerzielle Form des in Fig. 3a und 3b schematisch gezeigten Brenners 10, wobei gleiche Teile die gleichen Bezugsziffern haben. In Fig. 4 hat der Schirm eine planare Vorderfläche, wie in Fig. 3a und 3b gezeigt. In Fig. 5 hat der Schirm eine Vorderfläche mit radial gerichteten Ausnehmungen, die jedem Ausströmloch 44 zugeordnet sind. Diese Anordnung verringert die Wahrscheinlichkeit, daß ausgestoßene Metallschmelze die Düse angreift, indem sie durch eines der Löcher hindurchtritt oder das Loch blockiert. Fig. 6 zeigt das untere Ende des Brenners von Fig. 4, wenn es zusammengebaut ist. Die Elektrode, Stromzuführungen und Gasdurchtritte sind nicht gezeigt.
Fig. 9 zeigt eine Form des erfindungsgemäß konstruierten Brenners 10. Der Brenner ist im wesentlichen der gleiche wie der in Fig. 3a gezeigte mit der Ausnahme, daß (1) der Düsenschirm 38 so gestaltet ist, daß die nach außen gerichteten Ausströmlöcher 44 in einer Seitenwand 38b gebildet sind, die geneigt ist, und (2) die sekundäre Gasstromleitung 50 durch ein Strömungssteuerungssystem 60 hindurchgeführt ist.
Die Löcher 44' sind vorzugsweise direkt durch die Seitenwand 38b gebohrt und bilden einen Winkel A bezüglich der "Vertikalen", der größer als 0º, jedoch vorzugsweise etwa 55º ist. Hierbei wird als "Vertikale" die Richtung der Längsachse des Brenners festgelegt, welche im allgemeinen mit dem Lichtbogen ausgerichtet und transversal zu der Oberfläche des Werkstücks ist. Der genaue ausgewählte Winkel hängt von der Gasströmungsrate und den Schneidbedingungen ab.
Im allgemeinen ist der Winkel um so größer, je stärker der zum Kühlen der Düse benötigte Strom ist. Die Löcher 44' sind zwar als gerade zylindrische Bohrungen senkrecht zu einer geneigten Seitenwand gezeigt, doch können sie natürlich auch unter einem Winkel entweder in der Seitenwand 38b', einer vertikalen Seitenwand 38b, wie in Fig. 3a gezeigt, oder der Vorderfläche 38c (in Fig. 3b als Löcher 44" gestrichelt gezeigt) gebohrt sein, wobei in den letzeren Fällen die "vertikalen" Löcher 44 nicht vorhanden sind. Die senkrechte Bohrung in einer geneigten Wand hat sich als eine geringfügig bessere Ausgestaltung im Hinblick auf das Ausrichten eines Gasstroms erwiesen, der so laminar wie möglich ist, wobei man ebenfalls einen gewünschten Anteil des Stroms ausströmen läßt und die gewünschte Kühlung des Düsenschirms erzielt.
Das Strömungssteuerungssystem 60 beinhaltet zwei parallele Zweigleitungen 62 und 64, die beide von einem gemeinsamen Vorrat des sekundären Gases gespeist werden und beide dieselbe Zufuhrleitung 50 sekundären Gases speisen. Die Zweigleitung 62 hat ein zwischengeschaltetes, elektrisch betätigtes Ventil 66, das sich zwischen einer geschlossenen Stellung und einer vollständig offenen Stellung bewegt. In der offenen Stellung läßt das Ventil 66 einen starken Gasstrom zu der Leitung 50 hindurchtreten, der eine umfangreiche Kühlung des Düsenschirms erzeugt, um den Schirm während des Durchdringens zu schützen. So ist zum Beispiel beim Durchdringen von schweißbarem StahI einer Dicke von 19,05 mm (3/4 inch) mit 200 A der sekundäre Gasstrom 48 durch das Ventil 66 und die Leitung 50 typischerweise 1,133 x 10&supmin;¹ m³/s (240 scfm). Wenn das Werkstück durchdrungen ist und der normale Schneidvorgang beginnt, schließt ein über die Leitungen 68 angelegtes elektrisches Signal S das Ventil 66. Der sekundäre Gasstrom wird dann ausschließlich durch die Zweigleitung 64 geleitet, die ein manuell einstellbares, zwischengeschaltetes Stellventil 70 enthält. Dieses Ventil wird eingestellt, so daß es, wenn das Ventil 66 geschlossen wird, einen vergleichweise geringen sekundären Gasstrom zu der Leitung 50 abmißt, der zur Kühlung der Düse ausreicht, der jedoch in keinem nennenswerten Umfang die Wirkung des Lichtbogens in der Kerbe 27 stört. Für das gleiche, oben angeführte Beispiel ist dieser geringere "Schneid"-Gasstrom typischerweise 1,9 x 10&supmin;³ m³/s (4 scfm). Darüber hinaus wird durch die scharfe Stufeneinstellung, die durch das Aufspalten des Gasstroms zwischen der Zweigleitung 62 und 64 oder der Zweigleitung 64 allein erzeugt wird, durch die Einstellung des Ventils 70 eine Feinabstimmung des geringen Gasstroms durch die Zweigleitung 64 ermöglicht, um den richtigen Kühlpegel und eine gute Schneidqualität sicherzustellen.
Diese Stufenströmungs-Gassteuerung gestattet es, daß die Brennermäuler 54 zur Verwirbelung viel stärker abgewinkelt werden können, als es ansonsten möglich wäre, und zwar tpyischerweise um 10º abgeschrägt. Ohne eine Stufenströmung machte es der zum Kühlen des Düsenschirms benötigte starke Gasstrom erforderlich, daß die Brennermäuler zur Verwirbelung vergleichsweise geradlinig sind. Diese "geradlinigen" Brennermäuler erzeugen dann während eines geringeren Stroms bei normalem Schneiden eine vergleichsweise geringe Verwirbelung mit einer entsprechenden Verschlechterung der Schnittqualität.
Im Betrieb wird der Brenner über dem Werkstück 26 unter einem Düse- Werkstück-Abstand positioniert, der typischerweise im Bereich 2,54 bis 5,09 mm (0,100 bis 0.200 inch) liegt. Die genaue Entfernung schwankt mit dem Strom und anderen Betriebsparametern, was in entsprechenden Industriekreisen bekannt ist. Um den Lichtbogen auszulösen, befindet sich der Strompfad in einem Pilotlichtbogenmodus:
Strom fließt von der Stromzuleitung 32 durch die Elektrode 14, die Düse 16, die Kappe 20 und den Stromring 28 zu der Pilotlichtbogenleitung 30. Der Strom liegt im Bereich von 0-200 A, kann jedoch 200 A überschreiten. Der Brenner wird in diesem Modus ausreichend lange betrieben, um den Spalt zwischen der Düse und dem Werkstück zu ionisieren. Wenn diese Ionisierung eintritt, tritt ein Pilotlichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse von der Düse zu dem Werkstück über. Ein Relais 56 wird dann an der Pilotlichtbogenleitung 30 geöffnet, so daß der Strompfad des übergetretenen Lichtbogens nun von der Stromzuführung 32 über die Elektrode 14 und zu dem Werkstück 26 über den Plasmalichtbogen 24 verläuft.
Während der Lichtbogenzündung gibt es einen primären Gasstrom 58 durch die Röhre 36 und die Plasmakammer 34. Dieser Strom ist vorzugsweise verwirbelt. Der sekundäre Gasstrom 48 wird auch ausgelöst. Die Brennermäuler 54 verwirbeln den Strom 48, der sich dann durch den Durchtritt 40 fortsetzt, wobei man einen Anteil des Stroms durch die Löcher 44 ausströmen läßt. Der sekundäre Gasstrom in dem Durchtritt 40 kühlt die Düse und den Schirm; der verbleibende Gasstrom 48a kühlt die Vorderfläche 38c des Schirms und stabilisiert den Plasmalichtbogen.
Wenn der Plasmalichtbogen das Werkstück erhitzt, schmelzt er das Metall, und die Metallschmelze 36a wird aus dem sich bildenden "Krater" mit relativ hohen Geschwindigkeiten, wie in Fig. 7 gezeigt, ausgestoßen. Zu Beginn hat der sich bildende Krater eine relativ geringe Tiefe, und die Metallschmelze wird vor dem Schirm 38 weit verbreitet ausgestoßen. Wenn der Krater tiefer wird, wird die Schmelze in zunehmendem Maße auf einer vertikalen Bahn ausgestoßen. Da der Schirm eine hohe thermische Leitfähigkeit hat, kann er durch den Gasstrom 48 in einem Umfang gekühlt werden, daß die Metallschmelze den Schirm nicht angreift und das Anhaften gesteuert wird. (Es kann zwar etwas Metall haften bleiben, wenn sich der Brenner nach einem Schnitt abkühlt, doch bewirkt ein Klopfen gegen den Schirm, daß das Metall abfällt.) Da der Schirm isoliert ist, kann es nicht zur Ausbildung eines doppelten Lichtbogens aufgrund einer Metallanhäufung kommen. Beim Durchdringen dicker Werkstücke (z. B. oberhalb 2,7 mm [1/2 inch]), ist es auch wünschenswert, den Brenner seitlich während des Durchdringens zu verschieben, um der Metallschmelze weniger Gelegenheit zu geben, direkt vertikal in die Düsenöffnung zurück ausgestoßen zu werden.
Beim Durchdringen ist das Ventil 66 offen, um den sekundären Gasstrom vorzugsweise auf den Brenner zu richten. Wenn das Durchdringen abgeschlossen ist, was durch eine Änderung des durch den Brenner abgezogenen Stroms auf eine im Stand der Technik wohlbekannte Art erfaßt wird, schließt das Ventil 66, und der sekundäre Kühlgasstrom wrrd stufenweise auf einen durch das Ventil 70 eingestellten Pegel verringert.
Die genaue Gasströmungsrate und die Abmessungen der verschiedenen Durchtritte, Öffnungen, Brennermäuler und Löcher ändern sich unter wechselseitigem Bezug und je nach dem Betriebsparameter. So erfordert im allgemeinen ein größerer Strom eine größere sekundäre Gasströmungsrate, um den Brenner zu kühlen und den Lichtbogen zu stabilisieren. Insbesondere sollte die Austrittsöffnung zwar groß genug sein, um den Austritt des Plasmalichtbogens nicht zu stören, doch sollte sie auch ausreichend klein sein, daß der verbleibende Gasstrom 48a mit dem Lichtbogen wechselwirkt, um die gewünschte Stabilisierung zu bewirken. Weiterhin sind die sekundäre Gasströmungsrate und - Geschwindigkeit, die für den Durchdringungs- und Schneid-Betriebsmodus optimal sind, für jeden Brenner und bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterschiedlich, um einen Verwirbelungsgrad zu erzeugen, der zu dem bestmöglichen Schnitt führt. Die genauen Werte für einen gegebenen Brenner und eine gegebene Verwendung werden empirisch bestimmt. Zur Veranschaulichung ist, was jedoch nicht als Begrenzung aufzufassen ist, bei einem 100 A-Brenner mit einem Düsenöffnungsdurchmesser von 1,5 mm (0,059 inch) die Austrittsöffnung vorzugsweise 4,32 mm (0,170 inch).
Es wurde ein Plasmalichtbogen-Schneidbrenner beschrieben mit einem elektrisch neutralen, metallischen Düsenschirm der mit einem sekundären Strom aus Kühlgas zusammenwirkt, welches die Düse vor einer Aushöhlung und der Ausbildung eines doppelten Lichtbogens aufgrund von der Kerbe ausgestoßener Metallschmelze schützt. Der Brenner beinhaltet Systeme zur Sicherstellung, daß der Kühlgasstrom groß genug ist, um die Düse während des Durchdringens zu schützen, der jedoch stufenweise zu einem ausreichend kleinen Wert geändert wird, um ein Stören des Schneidbetriebs nach dem Durchdringen zu vermeiden. Diese Systeme lassen sich bei bestehenden Brennern leicht nachrüsten und haben günstige Herstellungskosten.
Die Erfindung wurde zwar bezüglich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben, doch geht man davon aus, daß sich verschiedene Abwandlungen und Änderungen dem Fachmann aus der vorhergehenden genauen Beschreibung und den Zeichnungen ergeben. So wurde zum Beispiel der sekundäre Gasstrom als ein solcher beschrieben, der einen von dem Hauptgasstrom unabhängigen Vorrat und Zufuhrpfad hat, doch ist es möglich, einen Anteil des Hauptgasstroms umzuleiten, um den sekundären Gasstrom zu erzeugen. Weiterhin wurde der Schirm zwar als eine becherartige Konfiguration beschrieben, so ist die Erfindung jedoch auf keinerlei Konfiguration für den Schirm oder irgendeine Anordnung zur Befestigung des Schirms beschränkt, solange der Schirm die Metallschmelze effektiv mechanisch abblocken kann, durch den Gasstrom wirkungsvoll gekühlt werden kann und vorzugsweise auch eine Gas-Plasmalichtbogen-Wechselwirkung erzeugt, die den Lichtbogen stabilisiert. Weiterhin wurde zwar das Strömungs-Steuerungssystem für das sekundäre System für das sekundäre Gas in einer bevorzugten, mit Ventilen versehenen Form paralleler Zweigleitungen beschrieben, doch geht man davon aus, daß verschiedene alternative Anordnungen verwendet werden können, um den oben beschriebenen abgestuften Strom zu erzeugen. Diese und andere Abwandlungen und Änderungen sollen in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Plasmalichtbogenbrenner (10) mit einem Gehäuse (12), einer innerhalb des Gehäuses montierten Elektrode (14), einer an einem Ende des Gehäuses montierten, elektrisch leitfähigen Düse (16) mit einer Auslaßöffnung (18), einer Einrichtung zum Einführen eines primären Gasstroms, der durch das Gehäuse (12) zwischen der Elektrode (14) und der Düse (16) hindurchtritt und durch die Düsenauslaßöffnung (18) austritt, einer Einrichtung, mit der man einen elektrischen Strom zwischen die Elektrode (14) und die Düse (16) richtet, um einen Plasmalichtbogen (24) zu erzeugen, der aus dem Brenner (10) durch die Düsenöffnung (18) austritt, um ein metallisches Werkstück (26) zu durchdringen und daraufhin zu schneiden, wobei der Plasmalichtbogen (24) auf das Werkstück (26) auftritt, wo es sich verflüssigt und die Metallschmelze (26a) verspritzt wird, einem an dem Brennerkörper (12) montierten, elektrisch leitfähigen Schirm (38), wobei der Schirm (38) die Düse (16) im allgemeinen beabstandet umgibt und eine mit der Düsenöffnung (18) ausgerichtete Austrittsöffnung (42) hat, wobei die Austrittsöffnung (42) ausreichend groß ist, daß sie den Lichtbogen (24) nicht stört, jedoch ausreichend klein ist, daß im wesentlichen die gesamte, verspritzte Metallschmelze (26a) auf den Schirm (38) auftrifft, ohne daß sie die Düse (16) und andere Bestandteile des Brenners (10) erreicht,

einer Einrichtung zum elektrischen Isolieren des Schirms (38) von dem Gehäuse (12), um die Ausbildung eines doppelten Lichtbogens zu verhindern, wobei der Schirm (38) elektrisch erdfrei ist,

einer Einrichtung (50, 52, 54) zum Erzeugen eines sekundären Gasstroms (48) durch das Gehäuse (12), wobei der sekundäre Gasstrom (48) durch den Raum (40) zwischen der Düse (16) und dem Schirm (38) mit einer Strömungsrate hindurchtritt, die ausreicht, um den Schirm (38) zu kühlen, wobei die sekundäre Gasstromeinrichtung zumindest eine Öffnung (44', 44") in dem Schirm (38) enthält, und zwar in Fluidverbindung mit dem Raum (40) und vor der Austrittsöffnung (42) angeordnet, um einen ersten Anteil des sekundären Gasstroms (48) ausströmen zu lassen, und wobei ein zweiter Anteil (48a) des sekundären Gasstroms durch die Schirmaustrittsöffnung (42) austritt, wobei der zweite Anteil (48a) eine derartige Geschwindigkeit hat, daß er das Plasma (24) stabilisiert, das durch den durch den Brenner bei der Düsenöffnung (18) und der Schirmaustrittsöffnung (42) austretenden, primären Gasstrom erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Öffnung (44', 44") zu der Vertikalen um einen Winkel von größer als Null Grad gewinkelt ist.

2. Plasmalichtbogenbrenner (10) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Öffnung (44', 44") mehrere, in einer Vorderfläche (38c) des Schirms (38) ausgebildete und quer zu dem Gehäuse (12) ausgerichtete Brennermäuler aufweist.

3. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Öffnung (44', 44") mehrere, in einer Seitenwand (38b) des Düsenschilds (38) ausgebildete Brennermäuler aufweist, die bezüglich einer quer zu dem Gehäuse (12) ausgerichteten Vorderfläche (38c) des Schirms (38)geneigt ist.

4. Plasmalichtbogenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung für den sekundären Gasstrom eine Einrichtung (54) zum Verwirbeln des Gasstroms enthält.

5. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 4, wobei die Verwirbelungseinrichtung mehrere Öffnungen (54) in dem Strömungspfad aufweist, die geneigt sind, um die verwirbelte Strömung zu bewirken.

6. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Strömungsrate des zweiten Gasstroms, die Dimensionen der zumindest einen Öffnung (44', 44") und die Dimensionen der Austrittsöffnung (42) so ausgewahlt sind, daß der sekundäre Anteil (48a) des sekundären Gasstroms (48), der nach dem Ausströmenlassen verbleibt, ausreichend ist, um auch den Schirm (38) über dem Bereich zwischen der Öffnung (44', 44") und der Austrittsöffnung (42) zu kühlen.

7. Plasmalichtbogenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines sekundären Gasstroms einen Gasstrom (48a) zu der Austrittsöffnung (42) erzeugt, der das Plama (24) stabilisiert, das durch den aus dem Brenner (10) bei der Düsenöffnung (16) und der Schirmaustrittsöffnung (42) während des Schneidens austretenden, primären Gasstrom erzeugt wird.

8. Plasmalichtbogenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schirm eine der Düse (16) zugewandte, abgerundete Kante an der Austrittsöffnung (42) hat.

9. Plasmalichtbogenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel ungefähr 55º ist.

10. Plasmalichtbogenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einschließlich einer Einrichtung (60) zum Erzeugen einer Strömungsrate des sekundären Gases (48), die sich schnell und über einen großen Wertebereich in Antwort auf das Durchdringen und Schneiden des Werkstückes (26) ändert.

11. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 10, wobei die Strömungsratenänderungseinrichtung (60) eine Stufenänderung erzeugt zwischen einem großen Strömungswert, der ausreicht, um den Düsenschild (38) während des Durchdringens zu schützen, und einem niedrigeren Strömungswert, der ausreicht, um den Düsenschild (38) während des Schneidens zu schützen, und um die Schneidwirkung des Lichtbogens (24) in dem Werkstück (26) nicht zu stören, damit die Schneidqualität nicht verringert wird.

12. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 11, wobei die Strömungsratenänderungseinrichtung

einen Vorrat (48) des sekundären Gases,

eine Zufuhrleitung (50), die das sekundäre Gas von dem Vorrat zu dem Brennergehäuse leitet, und

eine Ventileinrichtung (70), die in der Zufuhrleitung betrieben werden kann, um die Stufenströmung zu erzeugen, aufweist.

13. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 12, wobei die Ventileinrichtung (70) ein Paar paralleler Zweigleitungen (62, 64) und ein in den Zweigleitungen montiertes erstes (66) bzw. zweites (70) Ventil enthält.

14. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 13, der weiterhin eine Einrichtung (5) zum Erfassen, ob der Brenner gerade durchstößt oder schneidet, enthält, und wobei das erste Ventil (66) in Antwort auf ein Ausgabesignal der Erfassungseinrichtung (5) zum Öffnen und Schließen betätigt wird, und wobei das zweite Ventil (70) einstellbar ist, um die sekundäre Strömungsrate (40a) auf Schneiden einzustellen, wenn das erste Ventil (66) geschlossen ist.

15. Verfahren zum Durchdringen und Schneiden eines Werkstücks (26) im Plasmalichtbogen mit einem Brenner (10), der ein Plasma (24) aus ionisiertem Gas erzeugt zwischen einer innerhalb des Brenners (10) montierten Elektrode (16) und einer an einem Ende des Brenners neben dem Werkstück (26) montierten Düse (16), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Abschirmen geschmolzenen Materials (26a) des Werkstücks (26) von der Düse (16) mit Hilfe eines Schirms (38),

elektrisches Isolieren des Schirms (38),

Kühlen des Schirms (38) mit einem Gasstrom (48), wobei ein sekundärer Strom (48a) von Kühlgas durch den Brenner bereitgestellt wird,

Ausströmenlassen eines Anteils des sekundären Gasstroms,

Richten des verbleibenden sekundären Gasstroms auf den Plasmalichtbogen in dem Bereich zwischen der Düse und dem Schirm, um den Plasmalichtbogen zu stabilisieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des sekundären Gasstroms, den man hat ausströmen lassen, weg von der Düse nach außen gerichtet ist.

16. Verfahren zum Durchdringen und Schneiden im Plasmalichtbogen nach Anspruch 15, einschließlich einem Schritt zur Verwirbelung des Gasstroms.

17. Verfahren zum Durchdringen und Schneiden im Plasmalichtbogen nach Anspruch 15 oder 16, das ein Verfahren enthält zum Steuern der Strömungrate des sekundären Stroms in Antwort darauf, ob der Brenner das Werkstück gerade durchdringt oder schneidet.

18. Verfahren zum Durchdringen und Schneiden im Plasmalichtbogen nach Anspruch 17, wobei die Steuerung stufenweise stattfindet zwischen einer hohen Strömungsrate, welche den Brenner während des Durchdringens schützt, und einer niedrigeren Strömungsrate, welche den Brenner während des Schneidens schützt, jedoch den Schnitt auch nicht stört.