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Diese Erfindung betrifft im allgemeinen
eine Plasmalichtbogenschneid- und -schweißvorrichtung. Insbesondere
betrifft sie die Verwendung eines Schildelements mit einem austauschbaren
Außenseitenteil,
das sich über
das untere Ende des Brenners erstreckt und das ohne die Notwendigkeit
des Entfernens des gesamten Schilds entfernt und ausgetauscht werden
kann. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Düse, die
zum Begünstigen
des Kühlens
gestaltet ist.
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Plasmalichtbogenbrenner besitzen
eine große
Vielzahl von Anwendungen, wie das Schneiden von dicken Stahlplatten
und das Schneiden von vergleichsweise dünnen Blechen aus galvanisiertem Metall,
die allgemein bei Heiz-, Lüftungs-
und Klimaanlagen-(HVAC-)Systemen verwendet werden. Die Grundkomponenten
eines Plasmalichtbogenbrenners umfassen einen Brennerkörper, eine
Elektrode (Kathode), die innerhalb des Körpers angebracht ist, eine
Düse (Anode)
mit einer zentralen Austrittsöffnung,
einen Strom eines ionisierbaren Gases, elektrische Anschlüsse, Kanäle für Kühl- und
Lichtbogensteuerfluida und eine Stromversorgung, die einen Zündlichtbogen
in dem Gas, typischerweise zwischen der Elektrode und der Düse, und
dann einen Plasmalichtbogen, einen leitfähigen Strom des ionisierten
Gases von der Elektrode zu einem Werkstück, erzeugt. Das Gas kann nichtoxidierend,
z. B. Stickstoff, Argon/Wasserstoff oder Argon, oder oxidierend
sein, z. B. Sauerstoff oder Luft.
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Verschiedene Plasmalichtbogenbrenner
dieses allgemeinen Typs sind in den US-Patenten Nr. 3,641,304, erteilt
an Couch und Dean, 3,833,787, erteilt an Couch, 4,203,022, erteilt
an Couch und Bailey, 4,421,970, erteilt an Cough, 4,791,269, erteilt
an Sanders und Couch, und 4,816,637, erteilt an Sanders und Couch,
beschrieben, die alle allgemein zusammen mit der vorliegenden Anmeldung
abgetreten sind. Plasmalichtbogenbrenner und verwandte Produkte
werden in einer Vielzahl von Modellen von Hypertherm, Inc., Hanover,
New Hampshire, verkauft. Der Brenner der Marke MAX 100 von Hypertherm
ist für
die Brenner mit mittlerer Leistung (100 Amp. Ausgang) unter Verwendung
von Luft als Arbeitsgas typisch und ist sowohl für die Plattenherstellung als auch
HVAC-Anwendungen brauchbar. Der Brenner der Marke HT 400 ist für Hochleistungsbrenner
(260 Amp.) typisch, die oft Sauerstoff als Arbeitsgas verwenden.
Hochleistungsbrenner werden typischerweise mit Wasser gekühlt und
verwendet, um dicke Metallplatten, z. B. 2,54 cm (1 Zoll) dicke
Platten aus Flußstahl,
zu durchstoßen
und zu schneiden.
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Konstruktionserwägungen bei diesen Brennern
umfassen das Kühlen
des Brenners, da der Lichtbogen Temperaturen von mehr als 10.000°C erzeugt,
die, wenn sie nicht kalt gesteuert werden, den Brenner, insbesondere
die Düse,
zerstören.
Eine weitere Erwägung
ist, daß der
Lichtbogen gesteuert werden muß,
sowohl um den Brenner selbst gegenüber dem Lichtbogen zu schützen als
auch um die Qualität
des Schnitts, der in einem Werkstück durchgeführt wird, zu erhöhen. Eine
frühere
Erfindung von einem der vorliegenden Anmelder, die in dem US-Patent
Nr. 3,641,308 beschrieben ist, umfaßte die Verwendung eines Stroms
von Kühlwasser
in der Düse eines
Brenners, um den Lichtbogen einzuschnüren und dadurch einen Schnitt
besserer Qualität
zu erzeugen. Es wurde auch gefunden, daß die Schnittqualität sehr verbessert
werden kann, wenn das Plasma dazu gebracht wird, zu wirbeln wie
durch dessen Zuführen
zu der Plasmakammer durch einen Wirbelring mit einem Satz von exzentrischen
Löchern.
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Bei dem Schneiden von Teilen aus
Metallplatten, beginnt ein Schnitt oft durch das Durchstoßen der
Platte an einem inneren Punkt. Da das Metall nicht durchgeschnitten
wird, wenn das Durchstoßen beginnt,
kann das geschmolzene Metall nicht unter der Schwerkraft aus dem
Kerbschnitt laufen. Es wird deshalb nach oben auf den Brenner gespritzt.
Dies ist unerwünscht,
weil das Metall den Lichtbogen destabilisieren kann, und bewirkt,
daß er
die Düse
aushöhlt,
und es kann an der Düse
anhaften, was oft zu einer Doppellichtbogenbildung führt, bei
dem der Plasmalichtbogen von der Elektrode zur Düse fließt und dann über den
Leitungspfad des geschmolzenen Metalls zu dem Werkstück. Sowohl
das Aushöhlen als
auch die Doppellichtbogenbildung verringern die Standzeit der Düse oder
zerstören
sie. Es ist auch wichtig, daß der
sich ergebende Schnitt glatt und so frei von Schlacke wie möglich ist
und einen Schnittwinkel aufweist, der vorzugsweise bei oder nahe
0° liegt,
d. h. daß die
"gute" Seite des Kerbschnitts eine Oberfläche aufweist, die rechtwinklig
zu der Metallplatte selbst ist.
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In der Vergangenheit bestand zur
Bekämpfung
des Aushöhlens
und der Doppellichtbogenbildung aufgrund von verspritztem Metall
die Lösung
für Hochstrombrenner
(200 Amp. und mehr) in der Verwendung einer mehrteiligen Düse mit Wassereinspritzkühlung. Typische
derartige Düsen,
die von Hypertherm, Inc. vertrieben werden, sind in schematischer
Form in 1A und 1B dargestellt. Die Hypertherm
Modelle Nr. HT400 0.099, HT400 0.166 und PACT500 0.187 entsprechen 1A und verwenden eine mit
Wasser gekühlte
keramische Düsenaußenseite. 2B zeigt eine Abwandlung
dieser Konstruktion, die von Hypertherm, Inc. als Modell PAC500
0.250 vertrieben wird.
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Für
einen Niederstrombetrieb, 0 bis 200 Ampere, ist eine Wassereinspritzkühlung aufgrund
der Kosten und der Energieabführung
aus dem Plasma durch die Wasserkühlung
weniger praktisch. Die übliche
kommerzielle Lösung
für luftgekühlte Niederleistungsbrenner
war es, dem Metall einfach zu gestatten, an den Brennerteilen anzuhaften,
und diese dann auszutauschen. Eine typische Düsenstandzeit für einen
solchen Brenner, der mit 40 bis 50 Ampere beim Durchstoßen und Schneiden
von 6,35 mm (1/4 Zoll) Flußstahl
betrieben wird, beträgt
etwa eine Stunde. Kosten sind natürlich mit dem Austausch von Teilen,
der Produktionszeit, die während
des Austauschvorgangs verloren geht, sowie Sicherheitserwägungen verbunden,
die immer auftreten, wenn ein Brenner zerlegt und wieder zusammengebaut
wird.
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Das Gaskühlen von Düsen ist beispielsweise auch
aus der
EP 0 196 612 bekannt.
Es beinhaltet üblicherweise
einen Doppelstrom, d. h. einen primären Strom eines Plasmagases
und einen sekundären Strom.
Sie können
an einem gemeinsamen Einlaß oder
getrennten Einlässen
ihren Ursprung haben. Der primäre
Strom muß durch
ein ionisierbares Gas gebildet werden, der sekundäre Strom
ist nicht notwendigerweise ionisierbar. Der primäre Strom geht durch die Plasmakammer,
wo er ionisiert wird, und verläßt den Brenner
durch seine Düse,
um einen Plasmagasstrahl zu bilden. Das sekundäre Gas strömt außerhalb der Düse, um eine
kalte Schicht aus nichtionisiertem Gas um den Lichtbogen herum zu
bilden. Bei herkömmlichen
Brennern sind die Temperatur und die Geschwindigkeit des Primär- oder Plasmagases
viel höher
als diejenigen des Sekundärgasstroms.
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Während
die Schneidfähigkeiten
des Brenners hauptsächlich
von dem Plasmagasstrahl abhängen,
kann der sekundäre
Strom für
das Kühlen
des Brenners und zur Schaffung einer geschützten gasförmigen Umgebung am Werkstück wichtig
sein. 2A zeigt eine
typische Verwendung eines Sekundärgasstroms über die
Außenfläche einer
Düse in Richtung
auf das Werkstück.
Diese Anordnung wird für
Niederstromanwendungen verwendet. Düsen dieses Typs werden von
Hypertherm, Inc. als Modell Nr. HT 40.038 und MAX100 0.059 vertrieben. 2B zeigt eine weitere Gaskühlanordnung
mit einer Isolierbüchse
aus Keramik am unteren Ende der Düse, um die Düse gegen
Kontakt an dem Werkstück
zu schützen.
Keramik ist jedoch spröde,
und diese Anordnung bietet keinen Schutz der Düse während des Durchstoßens.
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Das US-Patent Nr. 4,389,559, erteilt
an Rotolico et al., und das US-Patent Nr. 4,029,930, erteilt an Sagara
et al., sind Beispiele von Plasmabrennern für Unterwassersprüh- bzw.- schweißanwendungen,
wo eine Hülle
aus Sekundärgas
die Zone abschirmt, wo der Lichtbogen gegen die Umgebungsatmosphäre, gleichgültig ob
Luft oder Wasser, wirkt. Das US-Patent 4,816,637, erteilt an Sanders
and Couch, offenbart einen Hochstrom-Unterwasserschneidbrenner mit
einem nach innen gerichteten radialen Strom von Luft von 0 bis 10
scfm in Kombination mit einer ringförmigen Wasserhülle, um
eine wasserfreie Schneidzone zu bilden und Wasserstoffgas wegzuspülen, das
sich sonst unter dem Werkstück
ansammeln würde.
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Wie vorstehend festgestellt, ist
die Fähigkeit eines
Plasmabrenners, ein Durchstoßen
durchzuführen,
bei einem Plasmaschneidvorgang sehr wichtig. Das gemeinsam abgetretene
US-Patent Nr. 4,861,962
und WO 91 02 619, erteilt an Sanders und Couch, offenbaren die Verwendung
eines elektrisch schwimmenden Metallschilds, der die Düse im wesentlichen
umgibt, um beim Durchstoßen
verspritztes Metall zu blockieren. Ein Sekundärgasstrom zwischen dem Schild
und der Düse
kühlt diese
Komponenten. Schräge Öffnungen
stromaufwärts
führen
einen Wirbel in den sekundären
Strom ein, um dabei zu helfen, den Lichtbogen zu stabilisieren und
die Schnittqualität
zu verbessern. Ablaßöffnungen
in dem Schild ziehen auch einen Teil des Kühlstroms ab, um einen erhöhten Gesamtstrom
zum besseren Kühlen
zu gestatten, ohne den Lichtbogen während des Schneidens zu destabilisieren.
Diese Lösung
ist jedoch für
scharfzeichnende (manchmal hochdichte genannt) Brenner nicht ausreichend,
die einen konzentrierten Lichtbogen aufweisen und mehr Kühlung, als
durch ein Gas vorgesehen werden kann, erfordern. Der sekundäre Strom
ist relativ gering, um die Schnittqualität aufrechtzuerhalten. Das Gas
fungiert zum Kühlen
des Brenners und als Hilfe bei der Stabilisierung des Lichtbogens.
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Bei Doppelstrom-Brennern, ist, wenn
das Primärgas
Sauerstoff oder Luft ist, das Sekundärgas üblicherweise Luft. Wenn das
Primärgas
Stickstoff ist, ist das Sekundärgas üblicherweise
Kohlendioxid oder Stickstoff. Diese Kombinationen erzeugen einen geeigneten
Plasmagasstrahl ohne eine nichtaktzeptable Größe der Störung durch das Sekundärgas bei dem
Schnitt. Bei diesen Sekundärgasen
weist der Kerbschnitt üblicherweise
einen positiven Schnittwinkel von 1 bis 2° und obere und untere Schlacke
auf. Schnittgeschwindigkeit und -qualität sind ansonsten etwa die gleichen
wie wenn kein Schild verwendet worden wäre.
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Es ist auch bekannt, unterschiedliche
Gase oder Gasgemische für
unterschiedliche Phasen des Schnittvorgangs vorzusehen. Das japanische
veröffentliche
Dokument Nr. 57-68270 von Hitachi Seisakusho K. K. offenbart beispielsweise
während
einer Zündlichtbogenphase
einen Vorstrom aus Argon und ein Wechseln zu Wasserstoffgas für das Schneiden, gefolgt
von einer Rückkehr
zu Argon, nachdem das Schneiden beendet ist. Die veröffentlichte
japanische Anmeldung Nr. 61-92782 der Koike Oxygen Industry, Inc.
offenbart ein Stickstoff/Sauerstoffgemisch als Vorstrom-Plasmagas
bei der Startphase, gefolgt von einem Sauerstoff-Plasmastrom. Diese
beiden Ströme
sind für
das Plasmagas, nicht für
ein Sekundärgas.
Diese Veröffentlichung
lehrt, daß ein
Plasma- oder Primärgas-Vorstrom
aus etwa 85% Stickstoff, 15% Sauerstoff der beste ist, um die Elektrodenstandzeit
zu verlängern.
Das US-Patent Nr. 5,017,752, erteilt an Severance et al., offenbart
einen Strom eines nichtoxidierenden Gases während des Zündlichtbogenbetriebs, der zu
einen reinen Sauerstoffstrom umgeschaltet wird, wenn der Lichtbogen übergeleitet
wird. Diese Ströme
sind wiederum nur Primärgasströme. Verschiedene
Patente und Veröffentlichungen
offenbaren auch Muster des Gasstroms und zeitliche Erwägungen.
Das US-Patent Nr. 4,195,216, erteilt an Beauchamp et al., offenbart
beispielsweise verschiedene Arten des Betreibens einer Plasmadrahtschweißvorrichtung
auf eine Weise, die das Schlüssel loch
am Ende der Schweißnaht
füllt,
indem die Drahtzuführungsrate
in Koordination mit Änderungen
im Gasstrom und dem Lichtbogenstrom eingestellt wird.
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Es ist deshalb eine Hauptaufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Plasmalichtbogenbrenner mit einem
Schild zu schaffen, wobei der Abschnitt der am wahrscheinliches
das gespritzte geschmolzene Metall auffängt ausgetauscht werden kann,
ohne daß der
vollständige
Schild ausgetauscht werden muß.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist die Schaffung einer Düse,
die zum Begünstigen
des Kühlens
der Düse
gestaltet ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft
einen austauschbaren Schild, der zusammen mit einer ringförmigen Sekundärgaskappe
verwendet wird, die an einem Ende eines Plasmalichtbogenbrenners
angebracht ist und einen Körperabschnitt
aufweist, der sich in Richtung auf eine Austrittsöffnung einer
Düse erstreckt,
die einen Plasmagasstrahl in Richtung auf ein Werkstück zum Durchstoßen und
Schneiden des Werkstücks
richtet, wobei der Schild ein metallisches Teil aufweist, das ein
austauschbares metallisches Außenseitenstück ist mit
(i) einer zentralen, kreisförmigen Öffnung,
die zu der Austrittsöffnung
der Düse ausgerichtet
ist und bemessen ist, um den Plasmagasstrahl eng zu umgeben, (ii)
eine Gruppe von Öffnungen,
die die zentrale Öffnung
umgeben, die bemessen sind, um einen beträchtlichen Teil des Sekundärgasstroms
während
des Schneidens umzulenken, aber nicht einen Strom des Sekundärgases mit
einer höheren
Durchflußrate
umzulenken, die mit dem Durchstoßen verbunden ist, wobei die Öffnungen
den Sekundärgasstrom
hoher Durchflußrate
bei seiner Beendigung zu Gunsten eines Stroms zum Schneiden entlüften, und
eine Einrichtung, die an der äußeren Kante
des Elements angeordnet ist, um den Schild austauschbar gegen den
Körperabschnitt
der Sekundärgaskappe
abzudichten, wobei der Schild geschmolzenes Metall auffängt, das
während
des Schneidens von dem Werkstück
in Richtung auf den Brenner gespritzt wird.
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Vorzugsweise umfaßt das Element einen Abschirmabschnitt,
der die zentrale Öffnung
umgibt und sich im allgemeinen parallel zu dem Werkstück erstreckt,
mit einer Innenfläche,
die das Äußere der Düse spiegelt,
um dazwischen eine Hauptaustrittsöffnung für den Sekundärgasstrom
zu bilden.
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Der austauschbare Schild umfaßt einen
im allgemeinen konischen Abschnitt, der sich von dem Abschirmabschnitt
aus zu der austauschbaren Dichtungseinrichtung erstreckt, wobei
die Öffnungen
in dem konischen Abschnitt ausgebildet sind.
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Vorzugsweise sind die Öffnungen
winklig angeordnet, um das durch sie strömende Sekundärgas von
dem Plasmagasstrahl weg zu lenken.
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Die austauschbare Dichtungseinrichtung umfaßt vorzugsweise
eine Stufenausnehmung, die an der Außenkante ausgebildet ist, um
den Schild in dem Körperabschnitt
anzuordnen und zu arretieren und eine in der Außenkante gebildete, ringförmige Nut,
die auf den Körperabschnitt
weist und geeignet ist, eine O-Ringdichtung aufzunehmen.
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Die vorliegende Erfindung schafft
in einer weiteren Ausführungsform
eine Düse
für einen
Plasmalichtbogen-Schneidbrenner, die aus einem leitenden Material
ausgebildet ist und eine Austrittsöffnung an einem Ende für einen
Plasmagasstrahl aufweist und umfaßt
einen hohlen Körperabschnitt,
der so ausgebildet ist, daß er
eine im allgemeinen konische, dünnwandige Konfiguration
hat, die in Richtung auf die Austrittsöffnung geneigt ist, und
einen
vergrößerten Kopfabschnitt,
der einstöckig
mit dem Körperabschnitt
ausgebildet ist,
wobei der Kopfabschnitt (i) massiv mit Ausnahme
eines zentralen Kanals ist, der mit der Austrittsöffnung fluchtet,
(ii) eine im allgemeinen konischen Außenfläche aufweist, die auch in Richtung
auf die Austrittsöffnung
geneigt ist und (iii) einen Durchmesser benachbart des Körperabschnitts
besitzt, der den Durchmesser des Körperabschnitts übersteigt,
um eine zurückgeschnittene
Aussparung zu bilden.
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Der Plasmalichtbogenbrenner besitzt
eine Sekundärgaskappe,
die an seinem unteren Ende angebracht ist, wobei eine Vorderseite
zwischen einer an dem Brenner angebrachten Düse und dem Werkstück angeordnet
ist. Bei einer Form eines scharfzeichnenden Brenners, ist eine wassergekühlte Kappe
zwischen der Düse
und der Sekundärgaskappe angeordnet,
um eine wassergekühlte
Kammer benachbart der äußeren Fläche der
Düse für ein hochwirksames
Kühlen
zu bilden. Ein Wirbelring ist zwischen der wassergekühlten Kappe
und der Sekundärgaskappe
unmittelbar stromaufwärts
der ringförmigen
Austrittsöffnung
angebracht. Er weist einen Satz abgeschrägter Öffnungen auf, die einen Wirbel in
dem Gas verursachen, das durch sie hindurchströmt. Eine Vorkammer befindet
sich stromaufwärts des
Wirbelrings, die durch eine strömungsbegrenzende Öffnung versorgt
wird, um einen Druckabfall in der Sekundärgaszuführleitung über der wassergekühlten Kappe
zu schaffen.
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Die Düse ist durch einen großen Kopf,
der eine Austrittsöffnung
für den
Plasmagasstrahl umgibt, und einen scharfen Hinterschnitt oder Aussparung
zu einem konischen Körper
gekennzeichnet. Diese Düsenkonstruktion
begünstigt
das Kühlen
der Düse
und gestattet eine zuverlässige
Abdichtung von Metall an Metall für die Düse gegenüber der wassergekühlten Kappe
oder einer äquivalenten
Komponente. Die Sekundärgaskappe
besitzt einen ersten, im allgemeinen zylindrischen Abschnitt, der
an einem isolierenden Element angebracht ist, einen Übergangsbereich,
der in Richtung auf den Plasmagasstrahl geneigt ist und ein austauschbares
Außensei tenstück, das
sich über
das untere Ende des Brenners gegenüber dem Werkstück erstreckt,
wobei eine zentrale Öffnung
mit der Austrittsöffnung
der Düse fluchtet
und sie eng umgibt. Vorzugsweise besitzt das Außenseitenstück einen Satz von Ausström-/Entlüftungsöffnungen,
die von dem Strahl weg abgewinkelt sind, eine Positionierungs- und
Anbringungsaussparung an ihrer Außenkante, eine Nut zum Halten
einer O-Ringdichtung
und eine Positionierungsnut für
den Wirbelring.
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Strömungssteuereinrichtungen, die
zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen
ein mittels eines Mikroprozessors gesteuertes Netzwerk (oder "Strömungskreis")
aus Leitungen, Ventilen, Meßeinrichtungen
und Entlüftungsöffnungen,
die ein Primärgas
und ein gemischtes Sekundärgas
in variablen Verhältnissen
von zwei Gasen mit vorwählbaren
Vielfachströmungsgeschwindigkeiten,
z. B. einem Vorstrom und einem Arbeitsstrom, schaffen. Bei einer
bevorzugten Form beliefern Sauerstoff- und Stickstoffzuführleitungen
jeweils ein Strömungsmeßgerät, das die
Strömungsgeschwindigkeit
unabhängig
von dem stromaufwärtigen Druck
macht. Die Sauerstoffzuführung
strömt
zu der Plasmagasleitung und zu einem Sekundärgas-Strömungskreis. Diese beiden Sauerstoffströmungsleitungen
und eine Stickstoffströmungsleitung
in dem Sekundärströmungskreis
besitzen jeweils ein durch ein Solenoid betätigtes Strömungsmesser-Bypassventil, gefolgt
von drei parallelen Abzweigungen, die jeweils ein weiteres mittels
eines Solenoid betätigtes Ventil
und ein Nadelventil aufweisen. Eine Abzweigung schafft einen Vorstrom.
Eine zweite Abzweigung schafft einen Betriebsstrom. Eine dritte
Abzweigung gestattet einen plötzlichen
erhöhten
Gasstrom, um für
eine "Schnelladung" zu sorgen. Diese Schnelladung ist auf einen
Strömungsweg
zurückzuführen, der
die Strömungsdrosselventile
in den anderen Abzweigungen im Bypass umgeht.
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Die Ausgänge der Sauerstoff- und Stickstoffsekundärgasleitungen
werden zu einer einzigen Sekundärzuführungsleitung kombiniert,
die zu dem Sekundärgaseinlaß an dem
Brenner führt.
Diese Zuführungsleitung
und die Primär-
und Sekundärgaszuführungsleitungen,
die dem Brenner benachbart sind, werden durch ein mittels eines
Solenoid betätigten Dreiwegeventils
in die Atmosphäre
entlüftet.
Das Öffnen
der beiden Entlüftungsöffnungen
in der Sekundärgasleitung
für kurze
Zeit während
des Übergangs von
einer Zündlichtbogenbetriebsart
zu einer übergeleiteten
Lichtbogenbetriebsart gestattet es, daß der Sekundärgasstrom
schnell auf seinen Betriebswert für das Schneiden absinkt. Das Öffnen aller
drei Entlüftungsöffnungen
bei der Plasmagasabschaltung sorgt für eine schnelle Abgabe der
Gasströme
an den Brenner. Um während
des Durchstoßens
eine starke Sekundärgasströmung zu
haben, gibt es eine zeitliche Verzögerung zwischen der Überleitung
dieses Plasmagases an das Werkstück
und dem Umschalten von dem Vorstrom zu dem Arbeitsstrom des Sekundärgases.
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Die vorliegende Erfindung ist besser
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verständlich,
die unter Berücksichtigung
der beiliegenden Zeichnungen gelesen werden sollte.
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Es zeigt:
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1A eine
vereinfachte Ansicht in vertikalem Schnitt durch eine Elektrode
und mehrteilige Düse
eines Hochstrom-Wassereinspritzplasmagaslichtbogenbrenners des Stands
der Technik;
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1B eine
Ansicht entsprechend 1A einer
alternativen mehrteiligen Wassereinspritzdüse des Stands der Technik;
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2A eine
vereinfachte Ansicht in vertikalem Schnitt durch eine einteilige
Düse eines
Plasmagaslichtbogenbrenners des Stands der Technik zur Verwendung.
bei niedrigem elektrischen Strom;
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2B eine
Ansicht entsprechend 2A einer
alternativen einteiligen Düsenausführungsform für die Verwendung
mit niedrigem elektrischen Strom unter Verwendung eines zylindrischen
Keramikschilds des Stands der Technik;
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3A eine
Ansicht in vertikalem Schnitt durch einen scharfzeichnenden Wasser-
und luftgekühlten
Plasmagaslichtbogenbrenner, bei dem die Düse und der Schild der vorliegenden
Erfindung enthalten sind;
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3B eine
Ansicht in senkrechtem Schnitt durch den Brenner von 2A, die die Wasserkühlkanäle zeigt.
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3C eine
Detailansicht in senkrechtem Schnitt durch die Düsen und den Austrittsöffnungsbereich
des in 3A gezeigten
Brenners;
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3D eine
Ansicht in horizontalem Schnitt durch den in 3A gezeigten Wirbelring;
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4 einen
schematische Strömungsteuerkreis,
der für
einen Mischgas-Sekundärgasstrom
mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten
und mit der Fähigkeit
einer Schnelladung und Schnellentladung sorgt; und
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5 ist
ein Zeitdiagramm für
den in 4 gezeigten Steuerkreis.
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3A und 3B zeigen einen Plasmagaslichtbogenbrenner 10,
der den Schild und die Düse gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält.
Er besitzt einen Mehrkomponentenkörper 12, einschließlich eines
im allgemeinen zylindrischen Hauptkörperabschnitt 12a,
der aus einem isolierenden Material wie FR4- Glasfaser oder Delrin gebildet ist.
Ein Anodenblock 14, der in dem Körperabschnitt 12a befestigt ist,
besitzt eine Öffnung 14a,
die eine Plasmagasleitung 16 aufnimmt, und eine Öffnung 14b,
die eine Sekundärgasleitung 18 aufnimmt;
sowohl die Plasmagasleitung 16 als auch die Sekundärgasleitung 18 gehen
durch einen Trennblock 20. Eine Düse ist direkt unterhalb einer
Elektrode 24 in beabstandeter Beziehung angebracht, um
eine Plasmagaslichtbogenkammer 30 dazwischen zu bilden,
in der Plasmagas, das von einem Wirbelring 32 zugeführt wird,
ionisiert wird, um entweder einen Zündlichtbogen zwischen der Elektrode
und der Düse
oder einem übergeleiteten
Lichtbogen zu bilden oder den Plasmagasstrahl 34 zwischen
der Elektrode und einem Werkstück 36 zu
bilden. Der Strahl 34 durchstößt das Werkstück und schneidet
dann einen Kerbschnitt 38. Es ist zu beachten, daß der Wirbelring 32 aus
zwei Stücken 32a und 32b besteht.
Radiale Öffnungen 32c an
der Wirbelringöffnung 32a verteilen
den Plasmagasstrom gleichmäßig zu den
Einspritzöffnungen 32d an
der Wirbelringöffnung 32b.
Die Elektrode 24 weist einen Hafniumeinsatz 24a auf.
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Wie gezeigt, besitzt die Düse eine
dünnwandige
Gestalt, die insbesondere für
einen scharfzeichnenden Brenner mit einer engen Austrittsöffnung 28a,
einem Düsenkopf 28b mit
großem
Durchmesser, der als guter Kühlkörper wirkt,
einem großen
Hinterschnitt (?) oder Aussparung 28c und einem konischen
Körperabschnitt 28d,
geeignet ist. Diese Konstruktion sorgt für eine gute Wärmeübertragung
und folglich ein gutes Kühlen
der Düse
durch Wasser, das über
die Außenseite
der Düse
zirkuliert wird. Sie erleichtert auch eine zuverlässige Abdichtung
von Metall zu Metall bei 66a zwischen dem Düsenkopf
und einer ähnlichen
geneigten Stirnfläche
einer wassergekühlten
Kappe 66. Die verschiedenen Komponententeile werden mit
flüssigkeitsdichten
Dichtungen, die durch Sätze
von O-Ringen, die jeweils in einer zugehörigen ringförmigen Nut vorgesehen sind,
und der Metalldichtung 66a zusammengefügt.
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Eine Gasquelle 42 sorgt
für einen
Strom eines Plasmagases durch einen Steuerkreis 44a für das Primärgas (4) zu einem Plasmagaseinlaß 10a des
Brenners 10. Von einer Quelle 46 eines zweiten
Gases strömt
dieses durch einen Strömungssteuerkreis 44b zu
einem Sekundärgaseinlaß 10b des
Brenners. Das Sekundärgas
umfaßt
bei der gezeigten bevorzugten Form eine Mischung von Gasen aus beiden
Quellen wie dies nachstehend detaillierter erörtert wird. In dem Brenner
strömt
das Plasmagas entlang eines Strömungswegs 48,
der einen Rohrkanal 16a, einen senkrechten Kanal 48a und eine
radiale Öffnung 48b umfaßt, zu dem
Wirbelring 32 und dann zu der Plasmagaskammer 30,
wo es ionisiert wird. Das Sekundärgas
folgt einem Strömungsweg 50,
der einen Rohrkanal 18a, einen senkrechten Kanal 52,
eine radiale Öffnung 54,
eine strömungsbegrenzende Öffnung 56,
eine Vorkammer 58, einen Sekundärgaswirbelring 60 und
eine ringförmige
Austrittsöffnung 62 umfaßt.
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Dieser sekundäre Strömungsweg und insbesondere die Öffnung 56,
die Vorkammer 58 und der Wirbelring 60 führen zu
einem hohen Grad der Strömungsgleichmäßigkeit
und Steuerung entlang der Strömung
an einem Punkt unmittelbar benachbart zu dem übergeleiteten Plasmagaslichtbogen 34.
Der Wirbelring 60 enthält
einen Satz von exzentrischen oder schrägen Löchern 64, die dem
Strom eine wirbelnde Bewegung verleihen, die die Wechselwirkung des
Sekundärgasstroms
mit dem Strahl 34 erleichtert und eine günstige Wirkung
auf die Schnittqualität
hat. Der Wirbelring ist aus einem isolierenden Material wie Hochtemperaturkunststoff,
vorzugsweise dem von I. E. du Pont de Nemours unter der Handelsbezeichnung
Vespel verkauften Produkt, hergestellt. Wie gezeigt besitzt die
Austrittsöffnung 62 einen
flachen ringförmigen
Abschnitt 62a, einen konischen Abschnitt 62b,
der nach unten und radial nach innen gerichtet ist, und einen abschließenden flachen
ringförmigen
Abschnitt 62c, der im allgemeinen parallel zu dem Werkstück 36 verläuft. Die Öffnungskanäle 62b und 62c spiegeln
die Außenabmessungen
der benachbarten Düsenoberflächen.
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Die Vorkammer 58 wirkt als örtliche
Gaszuführung
zu dem Wirbelring 60. Die strömungsbegrenzende Öffnung 56 schafft
einen Druckabfall an dem gegenüberliegenden
Ende der Vorkammer 58 von dem Wirbelring aus. Die Öffnung 56 und
die Vorkammer 58 isolieren den Wirbelring von den stromaufwärtigen Druckschwankungen
und den stromaufwärtigen
Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit.
In elektrischer Analogie wirken die Öffnung 56 und die
Vorkammer 58 als Glättungskondensator in
einem Wechselstromkreis. Beim Abstellen, wenn der Lichtbogenstrom
abgeschaltet wird, kühlt
sich das Gas in der Plasmagaskammer schnell ab, was zu einem plötzlichen
raschen Ausströmen
von Gas führt.
Gas in dem sekundären
Strömungsweg,
der bei dieser Erfindung fehlt, würde bei diesem raschen Ausströmen durch
die Venturi-Wirkung herausgesaugt werden. Die Öffnung 56 drosselt
das rasche Ausströmen
herunter, so daß nur
eine vergleichsweise kleine Gasmenge in der Vorkammer 58 herausgesaugt
wird. Diese Menge ist dazu berechnet, die Lichtbogenstabilisierung
des Sekundärgases
während
des Abschaltens fortzusetzen, und daß der Sekundärgasstrom
im allgemeinen gleichzeitig mit dem Löschen des Lichtbogens aufhört. Diese
Anordnung sorgt für
einen sekundären
Strom aus der Austrittsöffnung 62,
der sehr gleichmäßig sowohl
in Bezug auf die Zeit als auch den Raum ist.
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Bei. dem scharfzeichnenden Brenner
von 3A–3D ist
der Lichtbogen im Vergleich zu herkömmlichen Plasmagaslichtbögen hochentwickelt. Er
weist auch eine hohe Energiedichte auf. Bei einem Standard-Plasmagasschneidbrenner
beträgt
die Stromdichte etwa 3,88 × 107 A/m2 (25.000 Amp./Quadratzoll);
bei einem scharfzeichnenden Plasmagasbrenner, können die Stromdichten so hoch
wie 1,24 × 108 A/m2 (80.000 Amp./Quadratzoll),
gemessen an der Düsenbasis,
betragen. Ein Strom mit 15 Amp. ist typisch. Es wurde gefunden,
daß eine Wasserkühlung notwendig
ist. Zu diesem Zweck wird die wassergekühlte Kappe 66 in das
untere Ende des Anodenblocks 14 geschraubt, wobei sich
eine O-Ringdichtung bei 68 und die Flächenanlage-Abdichtung 66a von
Metall zu Metall an der oberen Kante des Düsenkopfs 28b befinden.
Der Wasserstrom 45a wird durch eine Wasserkammer 70 geleitet,
die durch die Kappe 66, die Außenoberfläche der Düse 28 und das untere
Ende des Anodenblocks 14 gebildet ist. Das Kühlwasser 45 strömt in den
Brenner durch Kanäle 47 hindurch,
der ein Wassereinlaßrohr 17 aufweist,
das in die Öffnung 15a des
Kathodenblocks 15 eingepaßt ist. Wasser strömt von dem
Rohrauslaß 47a durch
einen Ringraum 47b, radiale Löcher 47c in sowohl
den Kathodenblock 15 als auch die Isoliereinrichtung 13,
den Ringraum 47d, radiale Löcher 47e, einen Ringraum 47f zu
den Bohrlöchern 47g.
Hier teilt sich der Strom in zwei Ströme 45a zur Düse und 45b zu
der sekundären
Kappe über
den senkrechten Kanal 47h bzw, den Ringraum 47i auf.
Der Strom 45a kehrt von der Kammer 70 über den
senkrechten Kanal 47j zurück, der sich mit dem zurückkehrenden Strom 45b an
dem Loch 47k vereinigt und dann durch die Rohrleitung 19 aus
dem Brenner herausströmt,
die an dem Düsenblock 14 an
der Öffnung 14c angebracht
ist.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung
ist die Sekundärgaskappe 72,
die bei 74 an dem Isolierkörper angeschraubt und mittels
O-Ringen 40c und 40d an dem Körper gasdicht ist. Die Sekundärgaskappe besitzt
einen ersten Abschnitt, einschließlich eines zylindrischen Körpers 72a,
der in einem konischen Wandabschnitt 72b mit einer Stufe 72c in
seiner Seitenwand endet. Ein zweiter oder Außenwandabschnitt 72d,
der einen austauschbaren Schild bildet, umfaßt eine Stufe 72e,
die mit einer Stufe 72c, einer Nut 72f, die einen
O-Ring 40e hält,
Entlüftungsöffnungen 72g,
einer Aussparung 72h, die den Wirbelring 60 an
ihrer unteren Kante hält
und positioniert, einer Austrittsöffnung 72i, die an
der Düsenaustrittsöffnung zentriert
und eng um den Plasmagasstrahl herum beabstandet ist, und Wandabschnitten 72j, 72k und 72l,
die die Düse
in einer parallelen beabstandeten Beziehung spiegeln und zusammen
mit der Düse
die Austrittsöffnung 72i bilden,
zusammenpaßt.
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Die Kappe 72 befindet sich
in einer parallel beabstandeten Beziehung zu der Kappe 66,
wobei der Spalt zwischen ihnen die Vorkammer 58 bildet. Die
sekundäre
Gaskappe bildet nicht nur den sekundären Strömungsweg, sie wirkt auch während des Durchstoßens als
mechanischer Schild gegen verspritztes Metall. Der untere Abschnitt
der Kappe, insbesondere das Außenseitenstück 72d fängt jegliches geschmolzene
Metall, das nach oben gespritzt wird, auf, das nicht von dem Gasschild
der vorliegenden Erfindung mitgerissen wird, d. h. ein stark abschirmender
Strom des Sekundärgases,
der auf den Plasmagasstrahl auftrifft, wird gedreht, um radial zwischen
der Kappe 72 und dem Werkstück nach außen zu strömen. Es ist zu beachten, daß die zentrale
Austrittsöffnung 72i einen
sehr kleinen Durchmesser hat, um den Plasmagasstrahl 34 eng
mit einem so geringen Spielraum wie möglich ohne ein Aushöhlen zu riskieren,
zu umgeben. Der Schild schwimmt auch elektrisch. Er ist auf einem
isolierenden Material, dem Körperteil 12a,
angebracht und ist von benachbarten metallischen Elementen wie der
Düse 28 und
der wassergekühlten
Kappe 66 beabstandet, und der Wirbelring 60 ist
aus einem isolierenden Material gebildet. Folglich ist es, falls
irgendein geschmolzenes Material daran anhaftet, nicht Teil eines
Leitungswegs für
eine Doppellichtbogenbildung. Die Entlüftungsöffnungen 72g umgeben
die Austrittsöffnung 72i.
Sie sind in ihrer Größe und Zahl
derart bemessen, daß sie
während
des Schnittvorgangs des Brenners einen ausreichenden Teil des sekundären Stroms
zur Atmosphäre
ablenken oder ausströmen lassen,
so daß der
Strom der den Plasmagasstrahl erreicht, keinen nachteiligen Einfluß auf seinen
Betrieb hat. Zu diesem Zweck sind die Öffnungen vorzugsweise von dem
Plasmagasstrahl unter einem kleinen spitzen Winkel wie gezeigt weg
abgeschrägt. Andererseits
bewirkt bei der Startphase und während des
Durchstoßens
eine sehr hohe Strömungs geschwindigkeit,
daß der
Sekundärgasstrom
an den Entlüftungsöffnungen 72g mit
einer geringen Ablenkung des Stroms zur Atmosphäre durch sie hindurch vorbei
strömt.
Beim Abschalten sorgen, wenn der Sekundärgasdruck in dem Weg 50 und
der Vorkammer 58 abfällt,
die Lüftungsöffnungen 72g für einen
Lüftungsweg
zur Atmosphäre,
um bei dem schnellen Verringern des Sekundärgasdrucks zu helfen. Es ist zu
beachten, daß weil
das Außenflächenstück 72d eine
getrennte Komponente des Brenners ist, es ausgetauscht werden kann
ohne die gesamte Kappe 72 auszutauschen, falls es verschlissen
oder beschädigt ist.
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Als Veranschaulichung, aber nicht
als Beschränkung,
besitzt ein Brenner 10 mit einer Nennleistung von 15 Amperes
einen Gesamtdurchmesser von etwa 38,1 mm (1,5 Zoll), besitzt die
Austrittsöffnung 72i einen
Durchmesser von etwa 1,52 mm (0,060 Zoll), besitzt ein Wirbelring 60 einen
Innendurchmesser von 7,62 mm (0,300 Zoll) und einen Außendurchmesser
von 10,16 mm (0,400 Zoll) und 6 gleichwinklig beabstandete, exzentrische
Löcher 64 mit
einem Durchmesser von 0,41 mm (0,016 Zoll). Die strömungsbegrenzende Öffnung 56 besitzt
einen Durchmesser von 0,76 mm (0,030 Zoll), und die Vorkammer 58 besitzt
ein Innenvolumen von etwa 3,23 cm2 (500
Quadratzoll). Die Austrittsöffnung
besitzt einen radialen Strömungsweg
von dem Wirbelring 60 zu dem Außendurchmesser der Austrittsöffnung 72i von
etwa 0,20 mm (0,0008 Zoll). Die Entlüftungsöffnungen 72g sind
zwölf an
der Zahl und besitzen einen Durchmesser von 4,06 mm (0,16 Zoll).
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Das Sekundärgas ist eine Mischung aus
einem nichtoxidierenden Gas wie Stickstoff, Argon, Helium oder irgendeinem
der inerten Gase und einem oxidierenden Gas wie Sauerstoff oder
Luft, wobei das oxidierende Gas mindestens 40% der Mischung, durch
Strömungsgeschwindigkeiten
gemessen, umfaßt.
Bei der bevorzugten Form ist mit Sauerstoff als Plasmagas das Sekundärgas aus
einer Mischung von Sauerstoff und Stickstoff (Argon) mit ihren jeweiligen
Strömungsgeschwindigkeiten
in einem Verhältnis
im Bereich von etwa 2 : 3 bis etwa 9 : 1, und vorzugsweise etwa
2 : 1, gebildet. Das Verhältnis
von 2 : 1 ist fast genau entgegengesetzt zu dem Verhältnis dieser
Gase, die die Luft bilden. Die Gase sind handelsüblich rein und im wesentlichen
frei von Wasser und Öl.
Wenn diese Gase in diesem Verhältnis
als Schildgas, wie vorstehend mit Bezug auf 3A, 3B, 3C und 3D beschrieben, verwendet werden, wurde gefunden,
daß die
Schnittgeschwindigkeit des Brenners in Flußstahl dramatisch zunimmt.
Des weiteren ändert
sich der Schnittwinkel von 1° zu
2° positiv
mit einem Luftschild von etwa 0° oder
im allgemeinen rechtwinklig zu dem Werkstück. Des weiteren kann die obere
Schlacke bis zu einem Punkt kontrolliert werden, wo sie vernachlässigbar
ist.
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Das genaue Strömungsverhältnis für die Sauerstoff- und Stickstoffströme, die
das Sekundärgas
bilden, kann empirisch durch Schneiden mit dem Brenner und Einstellen
der Ströme,
bis der Schnittwinkel oder andere Schnittparameter oder Parameter optimiert
sind, bestimmt werden. Bei der Durchführung dieser Einstellungen
wurde gefunden, daß eine Erhöhung des
Sauerstoffstroms die Schnittgeschwindigkeit (bis zu dem dreifachen
der Geschwindigkeit einer herkömmlichen
Schnittgeschwindigkeit ohne Gasschild) erhöht. Sie bewirkt auch, daß der Schnittwinkel
sehr negativ, bis zu 4° bis
5°, für einen
reinen Sauerstoffstrom wird. Die Schnittfläche wird auch zunehmend rauh
und weist ein Zickzackmuster auf. Der Grund für diese Wirkungen ist noch
nicht klar, es wird jedoch angenommen, daß eine reiche Sauerstoffumgebung,
die den Plasmagasstrahl umgibt, eine chemische Reaktion zwischen
dem Metall und dem Sauerstoff unterstützt, die Wärmeenergie freisetzt, die das
Schmelzen des Metalls unterstützt.
Der Schnittwinkel kann auch als Wirkung des Sauerstoffsekundärstroms
auf die Form des Plasmagasstrahls 34 erklärt werden.
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Die Erhöhung des Stickstoffstroms scheint andererseits
die Schnittgeschwindigkeit nur in dem Ausmaß zu beeinflussen, in dem eine
solche Erhöhung
zu Lasten der Sauerstoffströ mungsgeschwindigkeit
geht. Ein reiner Stickstoffstrom ist durch einen Schnittwinkel,
der 2° bis
3° positiv
ist, durch eine glatte Schnittfläche
und durch eine geringe Erhöhung
der Schlacke im Vergleich zum Schneiden ohne Schildgas gekennzeichnet.
Es wurde gefunden, daß durch Ändern des
Mischverhältnisses
von Sauerstoff-Stickstoff und des Gesamtsekundärgasstroms der Schnittwinkel
von etwa positiven drei Grad zu negativen drei Grad eingestellt
werden kann. Eine Erhöhung
des Sauerstoffs in der Mischung und eine Erhöhung des Gesamtstroms macht
den Schnittwinkel negativer. So kann der Schnittwinkel auf einen
gewünschten Wert
einfach durch Ändern
der Sekundärgasmischung
abgestimmt werden statt die Geometrie des Brenners zu ändern, wie
dies in der Vergangenheit der Fall war. Wenn der Schnittwinkel bei
einem Null- oder
negativen Wert gehalten wird, wird die Oberflächenschlacke ebenfalls im wesentlichen
eliminiert.
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Die erfindungsgemäße Sekundärgasmischung, die reich an
Sauerstoff ist, verbessert auch die Durchstoßfähigkeit des Brenners 10.
Ein durchstoßenes
Loch, das mit einem erfindungsgemäßen Sekundärgas, das reich an Sauerstoff
ist, hergestellt wird, ist sauberer und kann größere Dicken der Metallplatte
als identische Brenner durchdringen, die mit unterschiedlichen Mischungen,
wie Luft, arbeiten.
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4 zeigt
den Gasstromsteuerkreis 44, der den Strom der Plasma- und
Sekundärgase
von Quellen 42 und 46 zu den Einlässen 10a und 10b des Brenners 10 steuert.
Das Plasmagas, das für
die Zwecke dieser Erörterung
als Sauerstoff angenommen wird, strömt von den Quellen 42 durch
ein Stickstoff/Sauerstoff-Solenoidwahlventil SV15 (normalerweise
in der Sauerstoff-Wahlstellung). Es wird dann in einen Plasmagasstrom
entlang der Leitung 76 und einen Sekundärgasstrom (Sauerstoffteil)
entlang der Leitung 78 zu der Sauerstoffzuführleitung 86 in
dem Sekundärgasabschnitt 44b der
Steuerung 44 aufgeteilt. Die Sekundärgasversorgung 46 versorgt
eine Leitung 82, die eine Abzweigleitung 84 zu
dem Schalter SV50 aufweist, falls Stickstoff als Plasmagas
gewünscht
wird. Druckschalter PS1 und PS2 in Leitungen 86 und 82 gestatten
es nicht, daß das
Plasmagasschneidsystem arbeitet, falls der Druck unter einen vorbestimmten
Wert abfällt.
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Unter Verwendung von Sauerstoff als
Plasmagas und einer Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff als Sekundärgas werden
drei Zuführleitungen 76, 78 und 82 verwendet.
Jede besitzt einen Strömungsmesser FM1, FM2 bzw. FM3 und
einen Druckmesser PG1, PG2, PG3, die
in Reihe mit den Strömungsmessern
geschaltet sind. Die Strömungsmesser
stellen eine genaue Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten von
sowohl den Plasma- als auch den Schildgasströmen sicher. Drei Bypass-Solenoidventile SV8, SV9 und SV10 sind
jeweils parallel zu den drei Strömungsmessern
geschaltet. Diese Ventile sind Dreiwegeventile, die normalerweise
zur Bypassleitung offen sind. Dies dient dazu, die Strömungsmesser
während
der Übergangszeiten
zu schützen,
und während
des Dauerzustands sind drei Ventile geschlossen, um die Strömungsmessung
zu gestatten.
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Drei normalerweise geschlossene Solenoidventile
sind parallel mit einander an der stromabwärtigen Seite des Strömungsmessers
für jede
Leitung 76, 78 und 82 verbunden. Auf
jedes Solenoidventil folgt ein Nadelventil. Jeder Satz dieser Solenoidventile
besitzt eines, das den Vorstrom steuert, ein Ventil, das den Arbeitsstrom
steuert und ein drittes Ventil, das für eine Schnelladung sorgt.
Für die
Sauerstoffplasmagasleitung 76 ist das Vorstromventil SV2,
das Arbeitsventil SV1 und das Schnelladungsventil SV3 vorgesehen.
Die zugehörigen
Nadelventile sind MV2, MV1 bzw. MV3.
Für die
Sauerstoffsekundärgasleitung
sind diese drei Solenoidventile SV5, SV4 und SV16,
gefolgt von Nadelventilen MV5, MV4 bzw. MV8,
vorgesehen. Für
die Stickstoffsekundärgasleitung
sind diese Solenoidventile SV7, SV6 und SV17, gefolgt
von zugehörigen
Nadelventilen MV7, MV6 bzw. MV9, vorgesehen.
Die Ausgänge
von den Ventilen SV4, SV5, SV6, SV7, SV16 und SV17 werden zu einer
einzigen Sekundärgasleitung 86 kombiniert, die
mit dem Sekundärgaseinlaß 10b an
dem Brenner verbunden ist. Der Ausgang der Sauerstoff- und Stickstoffsekundärgasleitungen
wird deshalb zu einem einzigen Strom zu dem Brenner kombiniert.
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Der Gassteuerkreis 44 umfaßt auch
vier Dreiwegeentlüftungsventile,
die normalerweise zur Atmosphäre
hin offen sind. Sie sind auch elektrisch betätigte Solenoidventile. Das
Entlüftungsventil SV11 ist
mit der Sauerstoffplasmagasleitung an einer Gaskonsole 88 verbunden,
in der der Gassteuerkreis 44 untergebracht ist. Ein ähnliches
Entlüftungsventil SV13 ist
auch in der Leitung 80 jedoch am Brenner angeschlossen.
Dieses Ventil besitzt eine strömungsbegrenzende Öffnung CO1 in
dem Entlüftungskanal,
der zur Atmosphäre
führt.
Es steuert auch das Absinken des Plasmagasdrucks in der Düse beim
Abschalten. Es wird eingestellt, so daß der Gasdruck den Lichtbogen
aufrechterhält,
während
der Strom eingeschaltet ist, dissipiert jedoch den Plasmagasdruck
schnell, wenn der Strom abgeschaltet wird. In der Sekundärgaszuführungsleitung 86 ist
ein Entlüftungsventil SV12 mit
der Leitung an der Konsole 88 verbunden und ein ähnliches
Ventil SV14 ist in der Leitung mit dem Brenner verbunden. Der
Gaskreis 44 weist auch Druckmesser PG4 und PG5 auf,
die an der Konsole 88 mit den kombinierten Ausgängen aus
den Vorstrom-, den Arbeitsstrom- und den Schnellentladungsventilen
verbunden ist. PG4 liest den Sauerstoffplasmagasdruck an
der Leitung 80, PG5 liest den Sekundärgasdruck
an der Leitung 86.
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Während
des Durchstoßens
werden die Vorstromventile erregt, um sich zu öffnen, wobei die Betriebsventile
und die Schnelladungsventile während des
größten Teil
des Vorstroms geschlossen sind. In dieser Situation steuern die
Nadelventile MV5 und MV7 das Mischungsverhältnis der
Sauerstoff- und Stickstoffströme,
die das Sekundärgas
bilden. Wie vorstehend erörtert
wird dieses Verhältnis
vorzugsweise auf etwa 2 : 1 eingestellt, jedoch können Anpassungen
durchgeführt
werden, um den Strom für gegebene
Arbeitsbedingungen zu optimieren und die unterschiedlichen Schnittparameter
zu optimieren. Der Vorstrom durch die Ventile SV5, MV5, SV7 und MV7 wird
mit einer Strömungsgeschwindigkeit
eingestellt, die viele Male höher
ist als die Arbeitsströmungsgeschwindigkeit,
die von den Ventilen SV4, MV4, SV6, MV6 eingestellt
wird. Ein typischer Wert für
den gesamten sekundären
Gasvorstrom beträgt 120
scfh und 20 scfh für
den Arbeitsstrom. Geeignete Dreiwegesolenoidventile werden von der
Automatic Switch Company als Modell Nr. AFP33183 oder von MAC Valves
Inc. als Modell Nr. 111B-111BAAA hergestellt. Die Ventile werden
alle durch einen zentralen Mikroprozessor 90 gesteuert,
der programmiert ist, um den Gaskreis 44 in der durch das
Zeitdiagramm von 5 gezeigten
Weise zu betätigen.
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5 zeigt
den Betriebszustand aller Ventile im Kreis 44 während eines
vollständigen
Arbeitszyklus des Brenners 10 von t0 an,
wenn dem System das Startsignal von einer Bedienungsperson gegeben wird,
bis zu einem vollständigen
Abschalten des Lichtbogenstroms und der Gasströme am Ende von t6. 5 zeigt auch den entsprechenden
Lichtbogenstrom, die entsprechende Spannung und die entsprechenden
Gasdrücke
an der Düse
(in der Plasmagaslichtbogenkammer) und den Sekundärgasschilddruck,
der zwischen den Kappen 66 und 72 an der Vorkammer 58 gemessen
wird.
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Sobald der Startbefehl gegeben ist,
werden die drei Vorstromsolenoidventile SV2, SV5 und SV7 erregt,
um sich zu öffnen.
Die vier Entlüftungsventile SV11, SV12, SV13 und SV14 werden
zur einer Schließstellung
erregt (sie sind normalerweise offen). Die drei Schnelladungsventile SV3, SV16 und SV17 werden
gleichzeitig auch erregt. Die Schnelladungsventile bringen den Düsen- und
den Schildgasdruck auf seine vollen Vorstromwerte zum Zeitpunkt
t1 für das
Plasmagas und zum Zeitpunkt t2 für das Schildgas.
Die Schnelladungsventile arbeiten, um die Leitungen 80 und 86 schnell
zu laden, da sie es den Strömen
gestatten, die Strömungsbegrenzung
in den Vorstrom- und Arbeitsstromabzweigungen im Bypass zu umgehen.
Sie gestatten eine plötzliche
Stufenfunktionserhöhung
im Strom. Der. Vorstrom wird während
einer gesamten verstrichenen Zeit von 1 bis 2 Sekunden fortgesetzt,
lang genug um die Vorströme
zu stabilisieren. Wie in 5 gezeigt,
werden Hochspannungsspitzen 91 mit hoher Frequenz an den
Brenner nach etwa 1 Sekunde des Vorstroms angelegt, um einen Zündlichtbogen,
wie bei 92 gezeigt, auszulösen. Wenn für den Zündlichtbogen ein Durchschlag
auftritt, fällt
die Spannung ab.
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Bei der Überleitung des Lichtbogens
zum Werkstück
steigt der Strom wie bei 94 gezeigt auf sein Arbeitsniveau 96 bei
Beendigung der Überleitung
an. Die Spannung fällt
bei der Überleitung
und der Gasdruck steigt an, wenn das Plasmagas in dem Brenner an
der Düse
auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wird und der Gasstrom an der
Düsenöffnung 28a abgedrosselt
wird. Während
der Überleitung
tritt das Durchstoßen
auf. Um den Hochgeschwindigkeitsgasschild der vorliegenden Erfindung
vorzusehen, wird ein großer
Sekundärgasvorstrom
für etwa 60
ms nach dem Beginn der Überleitung
aufrechterhalten. Dieser Sekundärgasvorstrom
mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
bläst geschmolzenes
Metall, das nach oben in Richtung auf den Brenner spritzt, weg,
bevor es den Brenner selbst erreichen kann. Der Strom umgibt den
Plasmagasstrahl und ist radial nach innen gerichtet. Er steht mit
dem Strahl in Wechselwirkung, jedoch kehrt der größte Teil
des Stroms um und strömt
radial von dem Strahl weg, wobei er nach außen und unten in den Bereich
zwischen dem Werkstück
und dem unteren Ende des Brenners strömt. Er schafft eine sich bewegende
kühle Gasgrenze
zwischen der Kappe 72 und dem Werkstück. Dieser starke Strom besteht
während
des Durchstoßens,
ist jedoch während
des normalen Schneidens stark verringert. Während des Schneidens schützt die
mechanische Abschirmung der Kappe 72 die Düse gegen
eine Doppellichtbogenbildung.
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Nach etwa 50 ms seit Beginn der Überleitung ist
das Plasmagasschnelladungsventil SV3 während eines Zeitraums t2 erneut geöffnet, um den Plasmagasstrom
schnell zu seinem vollständig
arbeitenden Ventil zu bringen. Nach 50 ms seit Beginn der Überleitung öffnen sich
Arbeitsstromventile für
sowohl das Plasma- als auch das Schildgas SV1, SV4, SV6. Nach
einem Zeitraum t3 seit der Überleitung
werden die beiden Schildleitungsentlüftungsventile SV12 und SV14 kurz
während
eines Zeitraums t4 wie gezeigt geöffnet, um
den Druck in der sekundären
Leitung dabei zu unterstützen,
auf ein Niveau abzufallen, das einem viel geringeren Arbeitsstrom
entspricht. Dies ist die Sekundärgasschnellentladung.
Die Ventile bleiben während
des Betriebs in diesen Arbeitsstellungen mit der Ausnahme, daß die drei
Strömungsmesser-Bypassventile
etwa 300 ms nach Beginn der Überleitung
erregt werden. Dies findet statt, nachdem die Ströme ihre
Dauerzustandswerte erreicht haben. Um den Betrieb des Brenners anzuhalten,
(i) entregt und schließt
ein STOP-Befehl die drei Arbeitsventile SV1, SV4 und SV6,
(ii) entregt er die vier Entlüftungsventile,
um sie zur Atmosphäre
zu öffnen und
dadurch eine Schnellentladung der Plasma- und Sekundärgase zu
erleichtern, und (iii) entregt er die Strömungsmesser-Bypassventile.
Von dem STOP-Befehl an bis zum Ende von t6 wird
der Lichtbogenstrom verringert. Am Ende von t6 wird
er vollständig
abgeschaltet. Es gibt an der Düse
einen geringen Restdruck, der jedoch schnell dissipiert wird, so
daß es
im wesentlichen bei der Stromabschaltung, dem Ende von t6, keinen starken wirbelnden Gasstrom in
der Plasmagaskammer gibt. Es wurde gefunden, daß diese Bedingung für die Verringerung des
Elektrodenverschleißes
sehr förderlich
ist. Es wurde ein Schild mit einem entfernbaren Außenseitenabschnitt
beschrieben, um einen leichten Austausch zu gestatten. Es wurde
auch eine Düse
beschrieben, die besonders für
die wassergekühlte Hochtemperaturarbeitsumgebung
eines scharfzeichnenden Brenners geeignet ist.
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Während
diese Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß Fachleuten aus der vorstehenden
detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen verschiedene
Modifikationen und Abänderungen
einfallen. könnten,
ohne daß der
Umfang der beigefügten
Ansprüche
verlassen wird.