DE69317313T3

DE69317313T3 - Verfahren zum hochwertigen plasmabogen- und laserschneiden von rostfreiem stahl und aluminium

Info

Publication number: DE69317313T3
Application number: DE69317313T
Authority: DE
Inventors: Richard W. Hanover COUCH; Nicholas A. Norwich SANDERS; Zhipeng Lebanon LU; Lifeng Lebanon LUO; Staffan C. O. Stenfelt
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2013-12-11
Also published as: DE69317313D1; EP0730506A1; US5380976A; EP0730506B1; DE69317313T2; AU5899494A; CA2151598A1; EP0730506A4; US5653896A; US5558786A; WO1994013424A1; AU675286B2; EP0730506B2; CA2151598C

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen das Plasmalichtbogen- und Laserschneiden von Blechen. Genauer gesagt, sie betrifft eine Mischung der Arten und des Verhältnisses von Gasen, die den Lichtbogen oder Laserstrahl bilden und/oder abschirmen, die sehr saubere, blanke und schlackefreie Schnitte in rostfreiem Stahl, Aluminium und anderen Nichteisenmetallen liefern.
Das Plasmalichtbogenschneiden von Blechen wird jetzt in großem Umfang angewandt. Bisher war es jedoch bei rostfreiem Stahl und Nichteisenmetallen, wie beispielsweise Aluminium, nicht möglich, einen sauberen Schnitt herzustellen, einen, der ein blanker Schnitt frei von Oxiden oder Nitriden des zu schneidenden Metalls ist, und der ebenfalls frei von Bodenschlacke ist.
Der Plasmalichtbogen ist ein Strahl eines ionisierten Gases. Während viele Gase eingesetzt werden können, um den Lichtbogen zu bilden, ist das ausgewählte Gas meistens für das zu schneidende Metall spezifisch. Um beispielsweise rostfreien Stahl zu schneiden, ist es sehr üblich, Luft, Stickstoff oder eine Mischung von Argon und Wasserstoff einzusetzen.
Stickstoff und Luft lassen keine Bodenschlacke zurück, aber die Schnittqualität ist schlecht. Die Seiten des Schnittes weisen Oxid- oder Nitrideinschlüsse auf und unterliegen einer Veränderung der metallurgischen Struktur. Um an diesem Schnitt zu schweißen, oder um ein akzeptables Aussehen zu erhalten, ist es erforderlich, die Schnittseiten zu schleifen oder mit der Drahtbürste zu bearbeiten.
Es ist ebenfalls bekannt, daß Argon-Wasserstoff als das Plasmagas für das Schneiden von rostfreiem Stahl eingesetzt wird. Wenn auch diese Schnitte metallurgisch "blank" sind, d. h., blank und sauber, läßt aber Argon-Wasserstoff mindestens bei Schnitten in dünnen Blechen eine Bodenschlacke zurück, die außergewöhnlich schwer zu beseitigen ist. Blanke, schlackefreie Schnitte sind mit Argon-Wasserstoff bei Blechen mit einer Dicke über etwa 12,7 mm (0,5 in.) bei Benutzung eines Brenners mit 200 Ampere und über etwa 6,4 mm (0,25 in.) bei Benutzung eines Brenners mit 100 Ampere möglich. Es wurde kein Plasmaschneidverfahren ermittelt, das blanke Schnitte ohne Schlacke erzeugt, wenn Aluminium geschnitten wird, ungeachet seiner Dicke.
Es ist ebenfalls gut bekannt, daß Schutzgase verwendet werden, im typischen Fall eine Sekundärgasströmung durch den Brenner, die von der Plasmagasströmung unabhängig ist und den Lichtbogen umgibt, ob durch Auftreffen auf diesen, während er den Brenner verläßt, oder stromabwärts in der Nähe des oder am Werkstück. Schutzgase können einer Vielzahl von Funktionen dienen, wie beispielsweise der Kühlung, Isolierung des Schnittvorganges im Schnitt von der Atmosphäre und dem Schutz des Brenners gegen nach oben gespritztes, geschmolzenes Metall. Plasma- und Schutzgase werden beispielsweise in den Plasmalichtbogenschneidbrennern verwendet, die von der Hypertherm, Inc. of Hanover, New Hampshire, unter den Warenzeichen MAX*200, MAX*100, MAX*100D und HD1070 verkauft werden. Die Zahlen 200, 100 und 70 kennzeichnen die Nennstromstärken für diese Brenner. Keiner der bekannten Brenner, bei denen Schutzgase verwendet werden, war in der Lage, die Schnittqualität beim bekannten Stickstoff-, Luft- und Argon-Wasserstoff-Schneiden zu verbessern, wenn es bei rostfreiem Stahl und Nichteisenmetallen, wie beispielsweise Aluminium, angewandt wird.
Das japanische Patent Nr. 2 867 158 betrifft ein Plasmaschneidverfahren, das das Schneiden von Werkstücken aus rostfreiem Stahl ausführt, indem Sauerstoff als das Arbeitsgas ausgestoßen wird, während auch ein reduzierendes Gas um den Umfang des Sauerstoffs ausgestoßen wird, um als ein Schutzgas zu wirken. Das erzeugt während des Schneidens aufgrund des reduzierenden Gases eine reduzierende Atmosphäre überall in dem Schnitt, was eine eine Oxidation verhindernde Aktivität an der Schnittfläche des Werkstückes erzeugt.
Das Laserschneiden zeigte gleiche Probleme bei der Schnittqualität, wenn es angewandt wird, um rostfreien Stahl und Nichteisenmetalle zu schneiden. Die Sauerstoff- und Stickstoffhilfsgase bilden Oxide und Nitride im Schnitt. Eine gute Schnittqualität kann erhalten werden, wenn Helium, Argon oder andere nichtreaktive Gase verwendet werden, aber das Schneiden mit diesen Gasen ist sehr langsam, das Gas muß hohe Drücke aufweisen, und es ist vorzugsweise sehr rein und daher kostspieliger.
Es ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Plasmalichtbogen- und/oder Laserschneidverfahren zur Verfügung zu stellen, das rostfreien Stahl, Aluminium und andere Nichteisenmetalle bei großtechnisch akzeptablen Geschwindigkeiten mit einer extrem hohen Schnittqualität schneiden kann.
Ein weiteres Hauptziel ist die Bereitstellung eines Schneidverfahrens, das an verschiedene Metalle und unterschiedliche Brenner angepaßt werden kann, einschließlich der Plasmalichtbogenbrenner mit hoher Dichte und der Plasmabrenner, die nur ein Plasmagas verwenden, oder derjenigen, die Plasma- und Schutzgase verwenden.
Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines Schneidverfahrens mit den vorangegangenen Vorteilen, selbst wenn es bei dünnen Metallblechen angewandt wird.
Ein noch weiteres Ziel ist das Erreichen aller vorangegangenen Vorteile bei Einsatz der bekannten Ausrüstung und Arbeitsmaterialien und bei günstigen Kosten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt daher ein Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1, 8 und 11 zur Verfügung. Entsprechend der Erfindung besteht mindestens eine Gasströmung zu einem Schneidbrenner aus einem reduzierenden Gas oder enthält ein reduzierendes Gas als eine Komponente einer Mischgasströmung. Die Gasströmungen umfassen ebenfalls ein Gas, das mit dem Metall zur Reaktion kommt. Das Strömungsverhältnis der reduzierenden Gasströmung zur Gesamtgasströmung zum Schnitt, ob als ein Plasma- und/oder Schutzgas einem Plasmalichtbogenbrenner zugeführt oder als ein Hilfsgas beim Laserschneiden, wird so reguliert, daß das reduzierende Gas im Schnitt vollständig verbraucht wird. Im Ergebnis zeigt das reduzierende Gas eine vernachlässigbar kleine Konzentration in dem Bereich, der durch den Schnitt und die untere Fläche des Metallwerkstückes begrenzt wird. Anders gesagt, die Atmosphäre an der unteren Fläche ist vorwiegend oxydierend. Die Auswahl des Gases und die Regulierung des Verhältnisses des reduzierenden Gases können funktionell als die Dinge definiert werden, die eine reduzierende Atmosphäre liefern, die sich durch den Schnitt von der oberen zur unteren Fläche des Werkstückes erstreckt, die aber ebenfalls eine oxydierende Atmosphäre an der unteren Fläche erzeugt. Das Verhältnis, das dieses Ergebnis liefert, variiert empirisch mit der Art des Metalls, dem Typ und der Leistung des Brenners, der Art der eingesetzten Gase und der Dicke des Werkstückes. Bei einer bestimmten Anwendung variiert das Verhältnis mit der Dicke. Dieses Verfahren erzeugt Schnitte hoher Qualität in rostfreiem Stahl, Aluminium und anderen Nichteisenmetallen. Die Schnitte sind blank und frei von Bodenschlacke.
Beim Plastmalichtbogenschneiden werden die Gase vorzugsweise als Plasma- und Schutzgase eingeführt, während diese Mischung von Gasen nur in einem Plasmagas gebildet werden kann. Die reaktiven und reduzierenden Gase können allein oder in Mischung als entweder einer oder beide dieser Gasströmungen auftreten.
Um rostfreien Stahl mit einem Plasmalichtbogenbrenner mit großer Genauigkeit bei niedriger Leistung zu schneiden, ist das Plasmagas vorzugsweise Luft oder Stickstoff, die im typischen Fall mit 1,13 m³/h (40 scfh – standard cubic feet per hour) für Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Leistung strömen. Wenn das Plasmagas Stickstoff ist, kann das Schutzgas Methan oder Methan und Luft sein. Das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit des Methans zur Strömungsgeschwindigkeit der Luft bewegt sich von etwa 5% bis 25% in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstückes. Eine typische Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases liegt im Bereich von 0,566 bis 1,7 m³/h (20 bis 60 scfh) in Abhängigkeit von der Dicke. Für das Plasmalichtbogenschneiden von Aluminium mit großer Genauigkeit ist das Plasmagas wiederum Luft oder Stickstoff mit Methan als ein Schutzgas. Bei einem Stickstoffplasmagas kann das Methan mit Luft gemischt werden, wiederum in sich verändernden Verhältnissen, um sich an unterschiedliche Dicken anzupassen.
Plasmagase für einen genormten Plasmalichtbogenbrenner können umfassen: Wasserstoff, Wasserstoff 35, gemischt mit Stickstoff, und eine Mischung von Wasserstoff und Stickstoff, und Luft. Schutzgase umfassen Stickstoff und Kohlendioxid. Stickstoff ist das bevorzugte Schutzgas bei entweder der Wasserstoff 35- und Stickstoff-Mischung oder der Wasserstoff-Stickstoff-Mischung als das Plasmagas.
Beim Plasmalichtbogenschneiden von rostfreiem Stahl und Aluminium ist das reaktive Gas vorzugsweise Stickstoff, Luft, weitere Mischungen von Sauerstoff und Stickstoff außer Luft. Reduzierende Gase können Wasserstoff, Wasserstoff 35, Methan und weitere entzündbare Kohlenwasserstoffgase umfassen, die sich bekanntermaßen mit Sauerstoff verbinden. Das reduzierende Gas macht vorzugsweise zwischen 2% und 50% der Gesamtgasströmung – Plasmagas und Schutzgas, wenn vorhanden – in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstückes aus, wobei die anderen Parameter konstant sind.
Beim Laserschneiden bewirken die Hilfsgasströmungen, die Wasserstoff oder ein wasserstofftragendes Gas, wie beispielsweise Methan, als das reduzierende Gas verwenden, die verbesserte Schnittqualität dieser Erfindung. Die Strömungsgeschwindigkeit des Hilfsgases oder, wo das Hilfsgas eine Mischung von Gasen ist, das Verhältnis des reduzierenden Gases zur Gesamthilfsgasströmung wird verändert, um eine vorwiegend reduzierende Atmosphäre innerhalb des Schnittes und eine vorwiegend oxydierende Atmosphäre an der unteren Fläche zu erzeugen. Wie beim Plasmalichtbogenschneiden liegt das Verhältnis der reduzierenden Gasströmung zur Gesamtgasströmung zwischen 2% und 50%, wiederum in Abhängigkeit von Faktoren, wie beispielsweise der Art und Dicke des Metalls, das das Werkzeug bildet.
Diese und weitere Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, die angesichts der beigefügten Zeichnungen gelesen werden muß.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung des Plasmalichtbogenschneidens eines rostfreien Stahlbleches mit Argon-Wasserstoff nach dem bisherigen Stand der Technik,
2 eine vereinfachte vertikale Schnittdarstellung eines Gasschutzplasmalichtbogenschneidbrenners, der entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung funktioniert, zusammen mit einer dazugehörenden grafischen Darstellung, die die Konzentrationen des Sauerstoffes und Wasserstoffes im Schnitt als eine Funktion der Tiefe des Schnittes zeigt,
3 eine grafische Darstellung des prozentualen Anteiles des reduzierenden Gases in einer speziellen Plasmagasströmung entsprechend der vorliegenden Erfindung als eine Funktion der Dicke des Werkstückes, und
4 eine vereinfachte vertikale Schnittdarstellung einer Laserschneidvorrichtung mit einem Hilfsgas entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
1 zeigt das Plasmalichtbogenschneiden eines Schnittes 12 in ein Werkstück 14, in diesem Fall eine rostfreie Stahlplatte, nach dem bisherigen Stand der Technik. Ein Plasmalichtbogenschneidbrenner 16 von bekannter Konstruktion erzeugt einen Lichtbogen 18, der vom Brenner auf das Werkstück übergeht, um den Schnitt zu erzeugen. Der Lichtbogen 18 ist ein Strahl des ionisierten Gases, der den Strom zum Werkstück leitet. Eine Gleichstromquelle 20 ist mit dem Brenner und dem Werkstück in Reihe geschaltet. Das Plasmagas ist eine Argon-Wasserstoff-Mischung, im typischen Fall 35 Vol.-% Wasserstoff und 65 Vol.-% Argon, das kommerziell als Wasserstoff 35 verkauft wird. Eine geregelte Zuführung 22 des Plasmagases mit regulierbarer Geschwindigkeit wird schematisch veranschaulicht. In Abhängigkeit vom Brenner und der Anwendung kann der Schneidbrenner ebenfalls eine Schutzgasströmung von einer separaten geregelten Zuführung 24 mit regulierbarer Geschwindigkeit aufnehmen. Typische Brenner 16 umfassen die genormten Schneidbrenner, die von der Hypertherm, Inc. of Hanover, New Hampshire, unter ihren Warenzeichen MAX*100, MAX*100D und MAX*200 verkauft werden, und ihren Brenner mit 70 Ampere und hoher Stromdichte, der unter den Warenzeichen "HyDefinition" und "HD1070" verkauft wird.
Dieses spezielle System nach dem bisherigen Stand der Technik kann rostfreie Stahlbleche schneiden, während ein sauberer, blanker Schnitt erzeugt wird. Wie es jedoch vorangehend erwähnt wird, erzeugt es ebenfalls eine sehr schwierige Bodenschlacke 26. Die Schlacke bildet sich in zwei Bereichen. Ein oberer Bereich 26-1 nahe des Schnittes behält ein metallisches Aussehen. In einem unteren Bereich 26-2 ist die Schlacke durch die Bildung der Oxide dunkel.
2 zeigt ein Schneidsystem entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 ist der gezeigte Brenner ein bekannter Plasmalichtbogenbrenner, wie beispielsweise die vorangehend angeführten Erzeugnisse MAX* und HyDefinition^TM, die eine Plasmagasströmung 22a und eine Schutzgasströmung 24a verwenden. Die Leistung des Brenners, die durch seinen Betriebsstrom gemessen wird, bewegt sich im typischen Fall von 15 bis 50 Ampere bei Anlagen mit niedriger Leistung bis zu 400 bis 500 Ampere bei Hochleistungsanlagen. Bei Brennern mit großer Genauigkeit sind relativ kleine Stromstärken typisch, beispielsweise 70 Ampere, aber bei einer sehr hohen Stromdichte. Stromstärken für typische genormte Brenner betragen 100 bis 200 Ampere für die am meisten gebräuchlichen Dicken.
Der Brenner kann ebenfalls eine Standardlaserschneidvorrichtung 16' sein, wie er in 4 gezeigt wird (wobei gleiche Teile mit der gleichen Zahl gekennzeichnet werden, bei der Laserausführung aber mit einem Strich versehen werden). Der Laserstrahl 28' erwärmt das Werkstück 14' im Schnitt 1. Er erzeugt ebenfalls eine chemische Reaktion zwischen einem reaktiven Gas in der Hilfsströmung 24a' und dem Metall, das ein Werkstück 14' bildet. Das reaktive Gas ist im typischen Fall Sauerstoff oder Stickstoff. Wie gut bekannt ist, beschleunigt das Vorhandensein eines aktiven Hilfsgases den Schneidvorgang des Lasers. Wie nachfolgend detaillierter diskutiert wird, umfaßt die Hilfsströmung 24a' entsprechend der vorliegenden Erfindung ebenfalls eine reduzierendes Gas. Der Lichtstrahl 28' ist kohärent und besitzt eine hohe Energie. Eine Linse 25 fokussiert den Strahl 28' auf das oder innerhalb des Werkstückes 14'. Das Hilfsgas 24a' gelangt durch die Öffnungen 29a unterhalb der Linse in ein Gehäuse 29. Das Hilfsgas strömt aus dem Brenner aus und in den Schnitt 12' im Werkstück 14' über eine Austrittsöffnung 29b hinein.
Das Werkstück 14 ist ein Blech. Es kann andere Formen annehmen, wie beispielsweise einen Schußwaffenlauf, einen Schraubenbolzen oder ein profiliertes Konstruktionselement, aber das Schneiden der Bleche, einschließlich der Platten, ist die am meisten gebräuchliche Anwendung. Eine "obere" Fläche 14a des Bleches wird dann als die Fläche des Werkstückes verstanden, die dem Plasmabrenner gegenüberliegt. Eine untere Fläche 14b ist vom Brenner abgewandt. Bei einem Werkstück aus Blech sind die Flächen 14a und 14b im allgemeinen flach und parallel. Die Plattendicke T, die längs einer Normalen zu den Flächen 14a, 14b gemessen wird, kann von dünnen Blechen, beispielsweise 3,1 mm (1/8 in.), bis zu Platten mit einer Dicke von 51 mm (2 in.) variieren.
Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die Gasströmung oder -strömungen vom Brenner zum Schnitt als einen Gasbestandteil mindestens eine Art eines Gases, das mit dem Metall des Werkstückes zur Reaktion kommt, und als weiteren Gasbestandteil eine andere Art eines Gases umfaßt, das eine Reduktionsreaktion bewirkt, insbesondere eine, die bei einer Reduktionsreaktion mit reaktiven Gasen, wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff oder einer Mischung der zwei, wie beispielsweise Luft, chemisch zur Reaktion kommen wird. Beim Plasmaschneiden können das reaktive Gas und das reduzierende Gas gemischt werden, um das Plasmagas oder das Schutzgas zu bilden, oder sie können getrennt werden, eines in die Plasmagasströmung und das andere in die Schutzgasströmung. Beim Laserschneiden werden das reaktive und das reduzierende Gas gemischt, um die einzelne Hilfsgasströmung 24a zu bilden.
Ein weiteres Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die Menge des reduzierenden Gases sorgfältig als ein Anteil der Gesamtgasströmung zum Schnitt reguliert wird – der Summe des Plasma- und Schutzgases, wo beide verwendet werden. (Eine gewisse Umgebungsluft oder andere Gasströmungen können ebenfalls in den Schnitt gelangen, aber sie sind meistens in unbedeutenden Mengen vorhanden, oder sie werden ausreichend aus dem Schneidvorgang entfernt, so daß geringe oder keine funktionellen Folgen auftreten.) Der Grad der Regulierung wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit als das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit des reduzierenden Gases oder der Gase zur Geschwindigkeit der Gesamtgasströmung ausgedrückt. Dieses Verhältnis variiert mit den Parametern, wie beispielsweise der Art des zu schneidenden Metalls, seiner Dicke, dem Typ und der Leistung des Brenners und der Art des Gases oder den Arten der Gase, die die Plasma- und Schutzgasströmungen bilden. Für eine bestimmte Verwendung variiert die Regulierung des Verhältnisses hauptsächlich als eine Funktion der Plattendicke. 3 zeigt eine typische derartige Beziehung für das Schneiden der rostfreien Stahlplatte mit einem Plasmalichtbogenbrenner des Warenzeichens MAX*100D mit einer Mischung von Argon, Wasserstoff und Stickstoff. Die Kurve in 3 zeigt, daß für dieses Beispiel das Verhältnis von Wasserstoff zur Gesamtgasströmung bei dünnen Platten (3,175 mm = 1/8 in.) etwa 3,5% betragen sollte, aber bei dicken Platten (12,7 mm = 1/2 in.) etwa 32%. Während die genauen Werte bei jeder Anwendung variieren werden, definiert die allgemeine Form der in 3 gezeigten Kurve diese Beziehung. Im allgemeinen fällt das Verhältnis des reduzierenden Gases zur Gesamtgasströmung, das die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung für sowohl Plasmalichtbogen- als auch Laseranwendungen bringen wird, in den Bereich von etwa 2% bis etwa 50%. Der genaue Wert für jede Anwendung kann empirisch ermittelt werden, indem die Schnittqualität für verschiedene Verhältnisse bei einer ausgewählten Dicke oder bei unterschiedlichen Dicken für ein ausgewähltes Verhältnis überprüft wird.
Diese Regulierung des Verhältnisses erzeugt eine vorwiegend reduzierende Atmosphäre innerhalb des Schnittes beim Lichtbogen. Das spiegelt eine vorherrschende Konzentration des reduzierenden Gases wider, die sich von der oberen Fläche 14a im wesentlichen durch den Schnitt hindurch bis zu einem Bereich 28 an der Schnittlinie des Schnittes und der unteren Fläche 14b erstreckt. Im Bereich 28 ist dann eine vorwiegend oxydierende Atmosphäre zu verzeichnen. Das wird in 2 in der hohen Konzentration des reaktiven Gases (beispielsweise Sauerstoff) an der Fläche 14b und der vernachlässigbaren Konzentration des reduzierenden Gases (beispielsweise Wasserstoff) widergespiegelt. Man glaubt, daß, wenn sie richtig reguliert wird, die Menge des Wasserstoffes oder des anderen reduzierenden Gases, das in der Strömung vorhanden ist, bei der chemischen Reaktion mit dem reaktiven Gas im Schnitt aufgebraucht wird. Dieser Zustand erzeugt Schnitte in rostfreiem Stahl und Nichteisenmetallen in einer Qualität, die bisher niemals bei Anwendung des Plasmalichtbogenschneidens erhalten wurde, ungeachtet der Dicke des Werkstückes. Dieser Zustand gestattet ebenfalls das Laserschneiden mit einer hohen Schnittqualität bei bisher unerreichbaren Geschwindigkeiten und ohne Beschränkungen hinsichtlich der Reinheit des Gases und des Druckes, die bisher mit den nichtreaktiven Hilfsgasen, wie beispielsweise Helium und Argon, in Verbindung zu bringen waren.
Wenn auch der genaue Vorgang (Vorgänge), der dieses Ergebnis bewirkt, nicht mit Sicherheit bekannt ist, sind die Anwender der Meinung, daß die vorwiegend reduzierende Atmosphäre im Schnitt eine oxydierende Reaktion zwischen dem zu schneidenden geschmolzenen Metall und den im Schnitt vorhandenen reaktiven Gasen verhindert. (Die oxydierende Reaktion ist die, die das Metall schneidet, beispielsweise die Bildung von Oxiden oder Nitriden des zu schneidenden Metalls, die durch den Plasmastrahl oder die Wirkung der Laserstrahlen und der zugehörigen Gasströmungen auf das Material weggeführt werden.) Man glaubt, daß das reduzierende Gas (oder seine Ionen oder Radikalen, die im Plasma gebildet werden) mit dem oxydierenden Gas (oder seinen Ionen oder Radikalen, die im Plasma gebildet werden) vorzugsweise zur Reaktion kommt. Man glaubt, daß im Bereich 28 die vorwiegend oxydierende Atmosphäre wichtig ist, um das geschmolzene Metall zu oxydieren, bevor es aus dem Boden des Schnittes herausläuft, um eine Schlacke zu bilden. Diese Analyse liefert einen funktionellen Leitfaden für die Regulierung des Anteils des reduzierenden Gases an der Gesamtgasströmung. Wenn zu wenig reduzierendes Gas vorhanden ist, wird der Schnitt nicht durchgehend blank sein. Wenn zu viel reduzierendes Gas vorhanden ist, wird sich eine Schlacke bilden.
Zur Veranschaulichung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, aber nicht als eine Einschränkung, legen die Anmelder die folgenden Beispiele für diese Erfindung vor, die bei Anwendung der Plasmalichtbogenschneidsysteme Hypertherm MAX*100D und HyDefinition HD1070^TM bei rostfreien Stahl- und Aluminiumblechen mit Dicken, die von 3,175 mm bis 15,875 mm (1/8 in. bis 5/8 in.) variierten, erfolgreich praktisch durchgeführt wurden.
Bei Anwendung eines HD1070^TM-Systems für das Schneiden von rostfreiem Stahl wurden die folgenden Kombinationen des Plasma- und Schutzgases bei typischen Strömungsgeschwindigkeiten von 1,13 m3/h (40 scfh) für das Plasmagas und von 0,566 bis 1,7 m³/h (20 bis 60 scfh) für das Schutzgas erfolgreich verwendet, wobei die Veränderung der Geschwindigkeit der Schutzgasströmung im allgemeinen der Dicke des Werkstückes entspricht, wie in 3 gezeigt wird. Tabelle I (Hohe Dichte, rostfreier Stahl)

Plasmagas Schutzgas

N₂ CH₄ (Methan)

Luft CH₄

N₂ CH₄ und Luft

Luft CH₄ und Luft
Das Verhältnis von Methan zu Luft variiert von etwa 5 : 95 bis 25 : 75 in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstückes, wobei die Geschwindigkeit der Gesamtschutzgasströmung konstant ist.
Für die Anwendung des HD1070^TM-Systems für das Schneiden von Aluminium gibt die Tabelle II erfolgreiche Plasma- und Schutzgase mit den Strömungsgeschwindigkeiten an, die vorangehend mit Bezugnahme auf Tabelle I angegeben werden. Die Schutzgasmischung aus Luft und Methan ist von fast 100% Methan bis fast kein Methan veränderlich, wiederum in Abhängigkeit von der Dicke des zu schneidenden Aluminiumbleches. Tabelle II (Aluminium)

Plasmagas Schutzgas

Luft CH₄

N₂ CH₄ und Luft
Die Tabelle III gibt geeignete Plasma- und Schutzgase für das Schneiden von rostfreiem Stahl mit einem Plasmalichtbogenschneidsystem MAX*100D an. Typische Strömungsgeschwindigkeiten sind jene, die vorangehend mit Bezugnahme auf Tabelle I angegeben werden. Tabelle III (Standardlichtbogen, rostfreier Stahl)

Plasmagas Schutzgas

Wasserstoff 35 und N₂ N₂

H₂ und N₂ N₂

Wasserstoff 35 und N₂ CO₂

H₂ und N₂ CO₂
Der prozentuale Anteil von Wasserstoff 35 in der Mischung variiert von etwa 10% für dünne Bleche bis etwa 90% für dicke Bleche. Der prozentuale Anteil des H₂ in der zweiten und vierten Mischung variiert von etwa 3,5% für dünne Bleche bis etwa 35 für dicke Bleche.
Es wurde ein Verfahren beschrieben, das Schnitte in rostfreiem Stahl und Nichteisenmetallen, wie beispielsweise Aluminium, von hoher Qualität – blank und schlackefrei – bei Anwendung des Plasmalichtbogen- und Laserschneidens erzeugt. Die Erfindung kann diese Ergebnisse bei Blechen oder anderen Konfigurationen mit einer breiten Vielzahl von Dicken bei Anwendung von Plasma schneidsystemen mit hoher Dichte, Standardplasmaschneidsystemen und Standardlasersystemen bewirken. Die Erfindung ist ebenfalls mit Plasmaschneidsystemen kompatibel, die über einem breiten Bereich von Leistungsniveaus und mit mechanischen Schutzeinrichtungen und Gasströmungsschutzeinrichtungen gegen das nach oben spritzende geschmolzene Metall arbeiten.
Während die Erfindung mit Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungen beschrieben wird, ist es so zu verstehen, daß verschiedene Abwandlungen und Veränderungen den Fachleuten aus der vorangegangenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen einfallen werden. Beispielsweise werden, während die Beispiele hauptsächlich Stickstoff und Luft als die reaktiven Gase verwenden, andere reaktive Gase in Betracht gezogen, die Sauerstoff allein, sauerstofftragende Gase und Sauerstoff-Stickstoff-Mischungen nicht im Verhältnis der Luft umfassen. Gleichermaßen können andere reduzierende Gase eingesetzt werden, insbesondere wasserstofftragende Gase. Insbesondere dient Methan zur Veranschaulichung einer Klasse von entzündbaren Gasen, die sich mit Sauerstoff in einer exothermen Reaktion verbinden, obgleich sie vielleicht höhere Kosten aufweisen oder unerwünschte Nebenprodukte erzeugen. Hydrazin (N₂H₄) ist ein derartiges wasserstofftragendes Gas, das verwendet werden kann. Diese und weitere Abwandlungen und Veränderungen, die den Fachleuten einfallen können, sollen in den Bereich der als Anhang beigefügten Patentansprüche fallen.

Claims

Metallschneidverfahren zur Verwendung mit einem Schneidbrenner (16) zum Erzeugen eines Schnitts (12) hoher Qualität in Werkstücken (14) aus rostfreiem Stahl und Nichteisen, die eine obere Fläche (14a) in der Nähe eines Schneidbrenners und eine untere Fläche (14b) aufweisen, die dem Brenner abgewandt ist, wobei der Brenner (16) eine Gesamtgasströmung zu dem Schnitt (12) verwendet, umfassend: das Bilden einer Menge der Gesamtgasströmung aus einem reduzierenden Gas, und Einstellen des Verhältnisses der Strömung des reduzierenden Gases zu der Gesamtgasströmung, basierend auf der Dicke des Werkstücks (14), vor dem Schneiden, um dadurch während des Schneidens eine vorwiegend reduzierende Atmosphäre durch den Schnitt (12) und eine vorwiegend oxydierende Atmosphäre im allgemeinen in dem Bereich (28) zu erzeugen, der durch die untere Fläche und den Schnitt definiert ist.
Schneidverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Brenner (16) ein Plasmalichtbogenbrenner ist, der wenigstens ein Plasmagas verwendet, das den Lichtbogen bildet, wobei die Plasmagasströmung wenigstens einen Teil der Gesamtgasströmung ausmacht, und wobei das Einstellen das Mischen wenigstens eines Gases, das mit dem Metall reaktiv ist, und wenigstens eines reduzierenden Gases umfaßt.
Schneidverfahren nach Anspruch 2, bei dem das Mischen ein Mischen von dem Plasmagas und einem Schutzgas ist, das den Lichtbogen (18) an dem Werkstück (14) im allgemeinen umgibt.
Schneidverfahren nach Anspruch 2, bei dem das Mischen ein Mischen von Komponentengasen von wenigstens einem Plasmagas und einem Schutzgas ist.
Schneidverfahren nach Anspruch 1, des weiteren umfassend den Schritt Beschränken des Verhältnisses des reduzierenden Gases zu der Gesamtgasströmung, so daß die Konzentration des reduzierenden Gases in dem Bereich (28) auf einen vernachlässigbaren Wert abnimmt.
Schneidverfahren nach Anspruch 5, bei dem das Beschränken ein Erhöhen des Verhältnisses des reduzierenden Gases zu der Gesamtgasströmung mit einer Zunahme der Dicke des Werkstücks (14) umfaßt.
Qualitätsschneidverfahren nach Anspruch 6, bei dem das Beschränken ein Erhöhen des Verhältnisses des reduzierenden Gases in einem Bereich von etwa 2% bis etwa 50% der Gesamtgasströmung umfaßt.
Verfahren zum Erzeugen eines Schnitts hoher Qualität in dünnen Platten (14) aus rostfreiem Stahl und Nichteisen-Metallen mit einem Schneidbrenner (16), der gegenüber einer oberen Fläche (14a) der Platte angeordnet ist und einen Schnitt (12) schneidet, der sich zu einer unteren Fläche (14b) der Platte erstreckt, und bei dem der Brenner (16) eine Gesamtgasströmung von dem Brenner zu dem Schnitt (12) aufweist, umfassend: Bilden des Plasmagases zumindest teilweise aus einem reaktiven Gas, Bilden der Gesamtgasströmung zumindest teilweise aus einem reduzierenden Gas, und Regulieren des Verhältnisses der Strömung des reduzierenden Gases zu der Gesamtgasströmung, basierend auf der Dicke der Platte (14), vor dem Schneiden, so daß das reduzierende Gas in dem Schnitt (12) beim Schneiden verbraucht wird, wobei an der unteren Fläche (14b) eine vernachlässigbare Konzentration des reduzierenden Gases übrigbleibt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Brenner ein Plasmalichtbogenbrenner (16) ist, der in einer Plasmagas strömung von dem Brenner einen Lichtbogen (18) erzeugt, der auf das Werkstück (14) übergeht, und bei dem das Regulieren ein Erhöhen des Verhältnisses in dem Bereich von etwa 2% bis etwa 50%, basierend auf der Dicke des Werkstücks, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das reaktive Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die sich zusammensetzt aus Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxyd und Mischungen dieser Gase, einschließlich Luft, und bei dem das reduzierende Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die sich zusammensetzt aus Wasserstoff, Wasserstoff 35, Methan und Mischungen dieser Gase.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, und das reaktive Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die sich zusammensetzt aus Luft und Stickstoff, und das reduzierende Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die sich zusammensetzt aus Methan und einer Mischung aus Luft und Methan.