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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Plasmalichtbogenbrenner und Betriebsverfahren,
und insbesondere einen Plasmalichtbogenbrenner und ein Verfahren,
das ein System zum Starten eines Kontakts verwendet, das eine Elektrode
und eine elastisch vorgespannte verschiebbare Düse oder einen elastisch vorgespannten
verschiebbaren Drallring einsetzt.
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Hintergrund
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Plasmalichtbogenbrenner
werden weit verbreitet beim Schneiden von Metallmaterialien eingesetzt.
Ein Plasmalichtbogenbrenner umfasst im Großen und Ganzen einen Brennerkörper, eine
Elektrode, die in dem Körper
montiert ist, eine Düse
mit einer zentralen Austrittsöffnung,
elektrische Anschlüsse, Durchgänge für Kühl- und
Lichtbogenregelfluide, einen Drallring, um die Fluidströmmuster
zu regeln, und eine Stromversorgung. Der Brenner erzeugt einen Plasmalichtbogen,
der ein begrenzter ionisierter Strahl aus einem Plasmagas mit einer
hohen Temperatur und einem hohen Moment ist. In dem Brenner verwendete
Gase können
nicht reaktiv (z.B. Argon oder Stickstoff) oder reaktiv sein (z.B.
Sauerstoff oder Luft).
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Im
Betrieb wird ein Zündbogen
zuerst zwischen der Elektrode (Kathode) und der Düse (Anode) erzeugt.
Der Zündbogen
ionisiert Gas, das durch die Düsenaustrittsöffnung tritt.
Nachdem das ionisierte Gas den elektrischen Widerstand zwischen
der Elektrode und dem Werkstück
reduziert, geht der Lichtbogen von der Düse auf das Werkstück über. Der
Brenner kann in diesem übertragenen
Plasmalichtbogenmodus betrieben werden, der durch den leitenden Strom
von ionisiertem Gas von der Elektrode zu dem Werkstück charakterisiert
ist, um das Werkstück
zu schneiden.
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Im
Großen
und Ganzen gibt es zwei weit verbreitete Techniken zur Erzeugung
eines Zündplasmalichtbogens.
Eine Technik verwendet ein Hochfrequenzhochspannungssignal ("HFHV"), das an eine Gleichstromquelle
und den Brenner angeschlossen ist. Das HFHV-Signal wird typischerweise
von einem Generator bereitgestellt, der mit der Stromversorgung
verbunden ist. Das HFHV-Signal induziert eine Funkenentladung in
dem Plasmagas, das zwischen der Elektrode und der Düse strömt, und
diese Entladung stellt einen Stromweg bereit. Der Zündbogen wird
zwischen der Elektrode und der Düse
mit der Spannung gebildet, die zwischen ihnen anliegt.
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Die
andere Technik zum Erzeugen eines Zündplasmalichtbogens ist als
Kontaktstarten bekannt. Kontaktstarten ist vorteilhaft, weil es
nicht eine Hochfrequenzausstattung erfordert, und daher billiger
ist und keine elektromagnetische Interferenz erzeugt. Bei einer
Form des Kontaktstartens wird die Elektrode manuell in elektrische
Verbindung mit dem Werkstück
angeordnet. Ein Strom wird dann aus der Elektrode in das Werkstück geleitet,
und der Bogen wird gezündet,
indem die Elektrode manuell von dem Werkstück entfernt wird.
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Verbesserungen
bei Plasmalichtbogenbrennersystemen wurden entwickelt, die die Notwendigkeit
eliminiert haben, den Brenner gegen das Werkstück zu zünden, um einen Bogen zu starten,
wodurch Schäden
für empfindliche
Brennerkomponenten vermieden wurden. Ein derartiges System ist in dem
US-Patent Nr. 4 791 268 offenbart (dem '268-Patent"), das auf den selben Rechtsnachfolger wie
die vorliegende Erfindung übertragen
wurde. Kurz gesagt beschreibt das '268-Patent einen Brenner mit einer bewegbaren
Elektrode und einer stationären
Düse, die
anfänglich
im Kontakt aufgrund einer Feder ist, die an die Elektrode gekoppelt
ist, derart, dass die Düsenöffnung blockiert
ist. Um den Brenner zu starten, wird Strom durch die Elektrode und
die Düse
geleitet, während
ein Plasmagas in die Plasmakammer geleitet wird, die durch die Elektrode,
die Düse
und den Drallring definiert ist. Das Kontaktstarten wird erreicht,
wenn der Aufbau eines Gasdrucks in der Gaskammer die Federkraft überwindet,
wodurch die Elektrode von der Düse
getrennt wird, und einen Niedrigenergie-Zündbogen dazwischen aufzieht.
Danach kann, indem die Düse
in nächste
Nähe zu
dem Werkstück
gebracht wird, der Bogen auf das Werkstück übertragen werden, wobei der
Regelkreis die elektrischen Parameter vergrößert, um hinreichende Energie
zum Bearbeiten des Werkstücks
bereitzustellen. Die gemäß dieser
Konstruktion hergestellten Plasmalichtbogenbrennersysteme haben eine
weit verbreitete Akzeptanz bei kommerziellen und industriellen Anwendungen
erfahren.
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Die
DE-A-4 018 423 offenbart einen Plasmalichtbogenbrenner, der die
Notwendigkeit für
eine Hochfrequenzzündung
vermeidet und von einem einfachen Aufbau ist. Der Brenner umfasst
einen Brennerkörper,
eine Kathodenelektrode und eine anodische Komponente, wobei die
Vertikalbewegung davon durch die Bewegung einer seitlichen Haltevorrichtung
eingeschränkt
ist. Die anodische Komponente wird in Kontakt mit der Kathodenelektrode durch
eine Feder gebracht.
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Während des
Betriebs eines Plasmalichtbogenbrenners findet ein erheblicher Temperaturanstieg
in der Elektrode statt. Bei Systemen, die eine bewegliche Elektrode
einsetzen, wird das passive Konduktionskühlen der Elektrode durch eine
benachbarte Konstruktion aufgrund der Notwendigkeit reduziert, Gleitpassungsabstände dazwischen
beizubehalten. Derartige Abstände
vermindern die Wärmeübertragungseffizienz
relativ zu festen Elektrodenkonstruktionen, die Gewindeverbindungen
oder Presspassungen einsetzen. Dementsprechend wurden aktive Kühlanordnungen
entwickelt, wie z.B. solche, die in dem US-Patent Nr. 4 902 871
("dem '871-Patent") offenbart sind,
das auf den selben Rechtsnachfolger wie die vorliegende Erfindung übertragen
wurde. Kurz gesagt, be schreibt das '871-Patent eine Elektrode mit einem
Spiralgasstromdurchgang, der einen größeren Schulterabschnitt davon
umschreibt. Eine verstärkte
Wärmeübertragung
und eine längere
Elektrodenlebensdauer werden aufgrund des vergrößerten Oberflächengebiets
der Elektrode realisiert, das dem kalten beschleunigten Gasstrom
ausgesetzt ist.
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Während bekannte
Kontaktstartsysteme wie beabsichtigt funktionieren, hat man zusätzliche
Gebiete zur Verbesserung identifiziert, um Operationsanforderungen
zu entsprechen. Zum Beispiel wird bei bekannten Kontaktstartsystemen
die Elektrode zum Teil von einer Feder gehalten, die im engen elektrischen
und physikalischen Kontakt zwischen der Elektrode und der Düse bleibt,
um die Austrittsöffnung
abzudichten, bis zu einer solchen Zeit, wenn der Druck in der Plasmakammer
die Vorspannbelastung in der Feder überwindet. Die Abnutzung der
Feder aufgrund der zyklischen mechanischen und/oder thermischen
Ermüdung
führt zu
einer Änderung
der Federrate oder zu einem Federausfall, und dementsprechend zu
einer Schwierigkeit beim Beginnen des Zündbogens mit einer damit hergehenden
Reduktion bei der Zuverlässlichkeit
des Starten des Brenners. Dementsprechend sollte die Feder periodisch
ausgetauscht werden; jedoch ist aufgrund des Orts der Feder in dem
Brennerkörper
ein zusätzlicher
Auseinanderbauaufwand erforderlich, zu dem, der notwendig ist, um
Routineverbrauchsmittel auszutauschen, wie zum Beispiel die Elektrode
und die Düse.
Eine spezielle Testausstattung wird typischerweise auch benötigt, um
den richtigen Zusammenbau des Brenners zu gewährleisten. Überdies kann während der
Reparatur oder Wartung des Brenners die Feder verschoben werden
oder verlorengehen, weil die Feder eine separate Komponente ist.
Das Wiederzusammensetzen des Brennerkörpers ohne die Feder oder mit
der falsch installierten Feder kann zu einer Schwierigkeit beim
Starten oder einem verlängerten
Betrieb des Brenners vor dem Starten des Zündbogens führen.
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Ausserdem
können
Gleitkontaktabschnitte der Elektrode und benachbarte Konstruktionen,
die als eine Kolben/Zylinderbaugruppe charakterisiert werden können, eine
Riefenbildung und Verstopfen aufgrund von Verunreinigungen unterworfen
sein. Diese Oberflächen
sind verletzlich gegenüber
Staub, Fett, Öl
und anderen Fremdkörpern,
die in Druckgasen üblich
sind, die von Luftkompressoren über Schläuche und
zugehörige
Leitungen geliefert werden. Diese Verunreinigungen verkürzen die
Dauer der störungsfreien
Dienste des Brenners und erfordern ein periodisches Auseinanderbauen
des Brenners zum Reinigen oder zur Reparatur. Es würde daher
für sich
bewegende Komponenten und passende Oberflächen wünschenswert sein, routinemäßig und leicht
ausgetauscht zu werden, bevor die Brennerstartzuverlässigkeit
beeinträchtigt
wird.
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Dementsprechend
gibt es einen Bedarf, einen Plasmalichtbogenbrenner-Kontaktstartaufbau
zu schaffen, der auf dem vorliegenden Stand der Technik aufbaut.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Um
diese Aufgaben zu erfüllen,
werden verbesserte Kontaktstart-Plasmalichtbogenbrenner gemäß den Ansprüchen 1,
13 und 14, Kontaktstartverfahren gemäß den Ansprüchen 17 und 22 und ein Drallring
gemäß Anspruch
9 vorgeschlagen, die in einer großen Vielfalt industrieller
und kommerzieller Anwendungen einsetzbar sind, einschließlich, aber nicht
begrenzt auf Schneiden und Markieren von Metallwerkstücken, ebenso
wie Plasmaspritzbeschichtung. Die Plasmalichtbogenbrenner gemäß der Erfindung
umfassen einen Brennerkörper,
in dem eine Elektrode fest montiert ist. Bei einer Ausführung ist eine
verschiebbare anodische Komponente, wie z.B. eine verschiebbare
Düse, koaxial
mit der Elektrode montiert, wobei die Elektrode eine Plasmakammer dazwischen
bildet. Die anodische Komponente, z.B. eine Düse, ist in Kontakt mit der
Elektrode durch ein Federelement elastisch vorgespannt. Eine Haltekappe
kann an dem Brennerkörper
befestigt sein, um die Düse zu
fangen und zu positionieren. Bei einer Ausführung gemäß Anspruch 1 ist das Federelement
an der anodischen Komponente, z.B. der Düse, befestigt, wobei eine integrale
Baugruppe gebildet wird, die dazu gedacht ist, als eine Baugruppe
ausgetauscht zu werden und von dem Benutzer nicht weiter auseinandergebaut
zu werden. Bei einer anderen Ausführung gemäß Anspruch 13 ist das Federelement
an der Haltekappe befestigt, wobei eine integrale Baugruppe damit
gebildet wird. Bei einer weiteren Ausführung gemäß Anspruch 14 sind sowohl die
Elektrode als auch die Düse
fest in Kombination mit einem verschiebbaren segmentierten Drallring
montiert. Ein elektrisch leitfähiger
Abschnitt des Drallrings ist in Kontakt mit der Elektrode durch
ein Federelement vorgespannt, das eine integrale Baugruppe mit entweder
der Düse
oder dem Drallring bildet. Das Federelement kann irgendeine Konfiguration
einer Vielfalt von Konfigurationen aufweisen, einschließlich, aber nicht
beschränkt
auf eine Federwellenscheibe, eine Fingerfederscheibe, eine gebogene
Federscheibe, eine schraubenförmige
Druckfeder, eine Flachdrahtdruckfeder oder eine geschlitzte konische
Scheibe.
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Gemäß den Verfahren
der Erfindung wird die verschiebbare Komponente in Kontakt mit der
festen Elektrode durch das Federelement in dem zusammengebauten
Zustand vorgespannt. Nach dem Bereitstellen von elektrischem Strom,
der durch die Elektrode und die Komponente tritt, wird Gas in die Plasmakammer
mit einer hinreichenden Strömrate und
einem hinreichenden Druck geleitet, um die Vorspannkraft des Federelements
zu überwinden,
was zu einem Zündbogenzustand
aufgrund der Verschiebung der Komponente weg von der Elektrode führt. Der
Bogen kann dann auf ein Metallwerkstück auf die gewöhnliche
Weise übertragen
werden, um das Werkstück
wie gewünscht
anschließend
zu bearbeiten.
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Verschiedene
Vorteile können
realisiert werden, indem die Konstruktion und das Verfahren gemäß der Erfindung
eingesetzt wird. Zum Beispiel schafft die Erfindung bei Schneid- und Markieranwendungen
ein zuverlässigeres
Kontaktstarten des Plasmalichtbogenbrenners. Bei bekannten Konstruktionen,
die eine bewegliche Elektrode und eine feste Düse einsetzen, gibt es oft zusätzliche
sich bewegende Teile und passende Oberflächen, wie z.B. ein Kolben und
ein elektrisch isoliertes Kolbengehäuse. Diese Teile werden permanent
in dem Plasmabrenner in der Fabrik installiert und sind nicht ausgelegt,
um im Einsatz während
des Arbeitslebens des Brenners gewartet zu werden, das mehrere Jahre
sein kann. Diese Teile sind harschen Betriebsbedingungen unterworfen,
einschließlich
schnellen Zyklen bei extremen Temperaturen und wiederholten mechanischen
Stößen. Außerdem ist
in vielen Fällen
das Brennerarbeitsfluid Druckluft, deren Qualität oft schlecht ist. Ölnebel,
kondensierte Feuchtigkeit, Staub und Trümmer von dem Luftkompressor
oder der Druckluftlieferleitung ebenso wie Metallnebel, die beim
Schneiden erzeugt werden, und Fett von den Händen des Bedieners, die eingeführt werden,
wenn Brennerverbrauchteile getauscht werden, tragen alle zu der
Verunreinigung der glatten Lagerflächen bei, die permanent in
dem Brenner installiert sind. Über
die Zeit beeinflussen diese Verunreinigungen die freie Bewegung
der Teile, die notwendig ist, um das zuverlässige Kontaktstarten des Zündbogens
zu gewährleisten.
Die Teilebewegung wird langsam, und fällt schließlich aufgrund des Verstopfens
aus, was zu Brennerstartausfällen
führt.
Viele Brenner fallen vorzeitig aufgrund dieser unkontrollierbaren
Variationen bei Einsatzbetriebsbedingungen aus. Diese Ausfälle können unmittelbar
der Verschlechterung der Oberflächenqualität der sich
relativ bewegenden Teile zugeschrieben werden. Ein erheblicher Vorteil
dieser Erfindung besteht in der Verwendung von sich bewegenden Teilen
und passenden Oberflächen,
die routinemäßig wie
Verbrauchskomponenten des Brenners ausgetauscht werden. Auf diese
Weise werden kritische Komponenten des Brennerkontaktstartsystems
regelmäßig erneuert
und die Brennerleistungsfähigkeit
wird auf einem hohen Niveau gehalten.
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Die
Erfindung schafft auch eine verbesserte konduktive Wärmeübertragung
von der heißen
Elektrode, um sie effizienter abzukühlen. Bei bekannten Kontaktstartsystemen
mit einer beweglichen Elektrode ist, weil sich die Elektrode frei
bezüglich
passender Teile bewegen muss, ein Abstand zwischen der Elektrode
und benachbarter Konstruktionen erforderlich. Diese Anforderung
begrenzt die Menge an passiver Wärmeübertragung
von der Elektrode in die benachbarten Strukturen. Gemäß der Erfindung
ist die Elektrode, die die am stärksten
thermisch belastete Komponente des Plasmabrenners ist, fest an die
benachbarte Struktur befestigt, die als ein effektiver Wärmeabfluss
wirkt. Der enge Kontakt reduziert stark den thermischen Widerstand
zwischen den Flächen
und verbessert die konduktive Kühleffizienz
für die
Elektrode. Als ein Ergebnis wird die besser gekühlte Elektrode im Großen und
Ganzen eine längere Betriebslebensdauer
als eine bekannte Elektrode haben, die ähnlichen Betriebsbedingungen
ausgesetzt ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung gemäß bevorzugten
und beispielhaften Ausführungen
wird zusammen mit weiteren Vorteilen davon genauer in der folgenden
detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1A eine
schematische teilweise freigeschnittene Schnittansicht eines Arbeitsendabschnitts eines
Plasmalichtbogenbrenners in einer stromabgeschalteten Betriebsart
gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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1B eine
schematische Schnittansicht des Arbeitsendabschnitts des Plasmalichtbogenbrenners
zeigt, der in 1A dargestellt ist, in einer Zündbogenbetriebsart
gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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2A eine
schematische Seitenansicht einer Düse mit einem integralen Federelement
gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2B eine
schematische Seitenansicht der in 1A dargestellten
Düse in
einem zusammengebauten Vorbelastungszustand gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2C eine
schematische Seitenansicht der in 1B gezeigten
Düse in
einem unter Druck gesetzten zusammengebauten Zustand gemäß dieser Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3A eine
schematische Seitenansicht einer zum Teil zusammengebauten Düse mit einem
integralen Federelement gemäß einer
weiteren Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3B eine
schematische Seitenansicht der in 3A dargestellten
Düse nach
dem Abschluss des Zusammenbaus gemäß dieser Ausführung der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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4A eine
schematische zum Teil freigeschnittene Schnittansicht eines Arbeitsendabschnitts eines
Plasmalichtbogenbrenners in einem stromabgeschalteten Betriebsart
gemäß noch einer
weiteren Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4B eine
schematische zum Teil freigeschnittene Schnittansicht des in 4A dargestellten
Arbeitsendabschnitts des Plasmalichtbogenbrenners zeigt, in einem
Zündbogenbetriebsmodus
gemäß dieser
Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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4C eine
schematische Schnittansicht zeigt, die die in 4A dargestellte
Haltekappe vor dem Einbau in dem Plasmalichtbogenbrenner gemäß dieser
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5A-5F schematische
Auf- und Seitenansichten von sechs beispielhaften Federelementen
gemäß verschiedene
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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6A eine
schematische, zum Teil freigeschnittene Schnittansicht eines Arbeitsendabschnitts eines
Plasmalichtbogenbrenners in einer stromabgeschalteten Betriebsart
gemäß einer
weiteren Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6B eine
schematische Schnittansicht des in 6A dargestellten
Arbeitsendabschnitts eines Plasmalichtbogenbrenners in einer Zündbogenbetriebsart
gemäß dieser
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 eine
schematische Seitenansicht einer Düse mit einem integralen Federelement
gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8A eine
schematische Schnittansicht eines Arbeitsendabschnitts eines Plasmalichtbogenbrenners
in einer stromabgeschalteten Betriebsart gemäß einer weiteren Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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8B eine
schematische Schnittansicht des in der 8A dargestellten
Arbeitsendabschnitts des Plasmalichtbogenbrenners in einer Zündbogenbetriebsart
gemäß dieser
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9A eine
schematische zum Teil freigeschnittene Schnittansicht eines Arbeitsendabschnitts eines
Plasmalichtbogenbrenners in einer stromabgeschalteten Betriebsart
gemäß noch einer
weiteren Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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9B eine
schematische Schnittansicht des in der 9A dargestellten
Arbeitsendabschnitts des Plasmalichtbogenbrenners in einer Zündbogenbetriebsart
gemäß dieser
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In 1A ist
eine schematische zum Teil freigeschnittene Schnittansicht des Arbeitsendabschnitts
eines Zweistrom-Plasmalichtbogenbrenners 10 in
einer Betriebsart gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie hierin verwendet, beschreibt
der Ausdruck "stromabgeschaltet" die Konfiguration
der Brennerkomponenten vor dem Unterdrucksetzen der Plasmakammer. Diese
Konfiguration ist auch konsistent mit dem stromlosen, zusammengebauten
Zustand. Der Brenner 10 umfasst im Großen und Ganzen einen zylindrischen
Körper 16 und
eine Elektrode 12, die fest entlang einer zentral angeordneten
Längsachse 14 montiert
ist, die sich durch den Körper 16 und
den Brenner 10 erstreckt. Sofern nicht anders spezifiziert, haben
die Komponenten des Brenners 10 eine entsprechende Längssymmetrieachse
und werden im Großen
und Ganzen entlang der Längsachse 14 des Brenners 10 kolinear
zusammengebaut. Die Elektrode 12 ist elektrisch von dem
Brennerkörper 16 isoliert,
der als ein Handgriff für
eine manuell ausgerichtete Werkstückverarbeitung dienen kann,
oder als eine Befestigungskonstruktion zur Verwendung in einem automatisierten
computergesteuerten Schneide- oder Markiersystem.
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Eine
Düse 18,
die im Wesentlichen kolinear mit der Achse 14 angeordnet
ist und an die Elektrode 12 stößt, ist entlang der Achse 14 innerhalb
vorbestimmter Grenzen verschiebbar. Die Düse 18 ist als eine
integrale Baugruppe aus drei Komponenten hergestellt: ein im Großen und
Ganzen zylindrisches hohles Glied 20; ein Federelement 26,
und ein Haltekragen 28. Das im Großen und Ganzen zylindrische hohle
Glied 20 hat einen offenen Endabschnitt zum Aufnehmen der
Elektrode 12 und einen geschlossenen Endabschnitt mit einer
zentral angeordneten Öffnung 22 für den Austritt
des Hochenergieplasmas während
des Brennerbetriebs. Das Äußere des
Düsenglieds 20 umfasst
einen sich radial erstreckenden Flansch 24, der eine Angriffsfläche für das Federelement 26 bildet.
Wie es im größeren Detail
unten bezüglich
der 5A bis 5F diskutiert
werden wird, können
verschiedene Federkonfigurationen eingesetzt werden, um das gewünschte Vorspannen
des Düsenglieds 20 in
der Richtung des Kontakts mit der Elektrode 12 zu erreichen.
Schließlich
umfasst die Düse 18 einen
Haltekragen 28, der einen auswärts angeordneten Flansch 30 umfasst.
Der Kragen 28 dient verschiedenen Funktionen einschließlich des Begrenzens
des Verschiebungswegs des Düsenglieds 20 in
dem Brenner 10 und zum Einschließen des Federelements 26 mit
dem Flansch 30 als ein Teil der integralen Baugruppe der
Düse 18.
Der Kragen 28 kann an dem äußeren Abschnitt des Glieds 20 durch
eine diametrale Presspassung oder irgendein anderes herkömmliches
Verfahren befestigt sein, wie z.B. ein mechanisches Schrauben, thermisches
Löten usw..
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Die
Düse 18 ist
in dem Brenner 10 mittels einer Haltekappe 32 gesichert.
Die Kappe 32 kann an dem Körper 16 durch eine
Schraubverbindung oder eine andere herkömmliche Verbindung befestigt
sein, um das Auseinanderbauen des Brenners 10 zu erleichtern,
um Verbrauchsmittel auszutauschen. Die Kappe 32 umfasst
eine hohle kegelstumpfförmige äußere Hülle 34 und
einen koaxial darin angeordneten Vorbelastungsring 36.
Der ringförmige
Vorbelastungsring 36 umschreibt die Düse 18 und umfasst eine
innere in Längsrichtung
angeordnete Stufe 38, die an das Federelement 26 stößt und stellt
im zusammengebauten Zustand einen zusätzlichen Federelementdruck
oder eine zusätzliche
Federelementvorbelastung bereit.
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Der
innere Aufbau der Düse 18 ist
bemessen, um einen radialen Abstand zu schaffen, wenn sie nahe der
Elektrode 12 angeordnet ist, wobei eine Plasmakammer 40 dazwischen
gebildet wird. Eine kontrollierte Quelle von Druckgas (nicht dargestellt) in
Fluidverbindung mit der Kammer 40 stellt das erforderliche
Gas bereit, das in ein Hochenergieplasma zur Werkstückbearbeitung
zu konvertieren ist. Das Druckgas in der Kammer 40 wirkt
auch gegen die Vorspannwirkung des Federelements 26 und
wird eingesetzt, um die Düse 18 relativ
zu der Elektrode 12 während
der Initiierung des Zündbogens
zu verschieben, wie in 1B dargestellt.
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Um
den Brenner 10 zu starten, wird ein schwacher elektrischer
Strom bereitgestellt, der Reihe nach durch die Elektrode 12 und
die daran anstoßende
Düse 18,
wie in 1A dargestellt. Danach wird
Gas für
die Plasmakammer 40 mit einer hinreichenden Strömrate und
einem hinreichenden Druck bereitgestellt, um die Vorspannung des
Federelements 26 zu überwinden,
wobei sich ein Zündbogenzustand
bei der Trennung der Elektrode 12 und der Düse 18 ergibt.
Bei diesem Doppel strombrenner 10 würde Gas auch für den Ringraum 41 bereitgestellt werden,
der zwischen dem Inneren der Hülle 34 und der
nächsten äußeren Fläche des
Düsenglieds 20 und
des Vorbelastungsrings 36 angeordnet ist. Wie in 1B dargestellt,
hat sich die Düse 18 in
einer Abwärtsrichtung
bewegt, wobei ein axialer und radialer Abstand relativ zu der Elektrode 12 geschaffen
wird. Die Verschiebung der Düse 18 ist
begrenzt durch das Anstoßen
des Düsenkragenflansches 30 gegen
eine zweite longitudinale Stufe 42 des Vorbelastungsrings 36.
Die Düse 18 bleibt
für die
Dauer des Betriebs des Brenners 10 in sowohl der Betriebsart
mit Zündbogen als
auch der Betriebsart mit übertragenem
Bogen versetzt. Beim Abschalten des Brenners 10 wird der Gasstrom
zu der Plasmakammer 40 und dem Ringraum 41 beendet.
Wenn der Druck in der Kammer 40 abnimmt, wird die Federelementkraft
wieder dominant, und die Düse 18 verschiebt
sich nach oben in anstoßende
Beziehung mit der Elektrode 12.
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Um
eine zuverlässige
Zündbogeninitiierung zu
erleichtern, kann es wünschenswert
sein, dass das Federelement 26 elektrisch leitfähig und
nicht oxidierend ist und in engem Kontakt mit dem Düsenflansch 24 und
dem Vorbelastungsring 36 während der Verschiebung der
Düse bleibt.
Indem ein elektrischer Leitungsweg mit niedrigem Widerstand bereitgestellt
wird, beseitigt das Federelement 26 im Wesentlichen eine
Mikrobogenbildung zwischen aneinander gleitenden Flächen des
Flansches 24 und des Vorbelastungsrings 36, die
durch elektrische Streuentladungen verursacht werden, die dazu neigen,
die Gleitreibung dazwischen zu vergrößern.
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Die 2A bis 2C stellen
die Düse 18 in drei
jeweiligen Zuständen
dar: als eine integrale Baugruppe vor dem Einsetzen in den Brenner 10;
in einem vorbelasteten Zustand nach dem Einsetzen in den Brenner 10,
aber vor dem Unterdrucksetzen der Plasmakammer 40; und
nach dem Einsetzen in den Brenner 10 im Anschluss an das
Unterdrucksetzen der Plasmakammer 40. Zuerst mit Bezug
auf 2A kann während des
anfänglichen
Herstellens der integralen Baugruppe eine leichte Kompression des
Federelements 26 wünschenswert
sein, um das richtige Sitzen der Federelementenden gegen den Flansch 24 des
Gliedes und den Flansch 30 des Kragens zu gewährleisten.
Das Federelement 26 wird dadurch axial bei beiden Flanschen 24, 30 eingeschlossen. Die
Darstellung des Federelements 26 ist in der Natur schematisch
und kann nur ein einzelnes Vorspannelement oder eine Vielzahl von ähnlichen
oder unterschiedlichen gestapelten Elementen umfassen. Sobald das
Federelement 26 in dem Brenner 10 installiert
ist, wie in 2B dargestellt, wird es weiter durch
die Stufe 38 des Vorbelastungsrings 36 zusammengedrückt. Durch Ändern der
relativen Abmessung der Stufe 38 kann die Menge der Vorbelastung und
damit einhergehend die Menge des Drucks variiert werden, der in
der Plasmakammer 40 erforderlich ist, um die Düse 18 von
der Elektrode 12 zu trennen. Man beachte den longitudinalen
Abstand zwischen dem Flansch 30 des Kragens und dem Vorbelastungsring 36,
der den Verschiebeweg von der Düse 18 begrenzt.
Dieser Abstand bestimmt den Spalt zwischen der Elektrode 12 und
der Düse 18 beim
Unterdrucksetzen der Plasmakammer 40. Die Abstandsabmessung
sollte groß genug
sein, um einen hinreichenden Spalt zwischen der Elektrode 12 und der
Düse 18 zu
schaffen, so dass sich ein stabiler Zündbogen bilden kann; jedoch
sollte die Abmessung nicht so groß sein, dass der Spalt zwischen
der Elektrode 12 und der Düse 18 zu groß wird und
eine verfügbare
offene Schaltungsspannung, die von der Stromversorgung zur Verfügung gestellt
wird, ungenügend
wird, um den Zündbogen
aufrechtzuerhalten. Ein typischer Bereich des Düsenwegs liegt in Abhängigkeit
von den Strombereichen in dem Brenner zwischen ungefähr 0,254
mm (0,010 inch) und ungefähr 2,54
mm (0,100 inch). Zum Beispiel kann für einen 20 Ampere Brenner der
nominale Düsenweg
ungefähr 0,381
mm (0,015 inch) sein und für
einen 100 Ampere Brenner kann der nominale Düsenweg ungefähr 1,651
mm (0,065 inch) sein. Für
Brenner mit höheren Strömen wird
der nominale Düsenweg
typischerweise größer sein.
Schließlich
stellt 2C die relative Stellung der
Düse 18 und
des Vorbelastungsrings 36 während des Brennerbetriebs dar,
wobei die Düse 18 an
der Grenze des Weges ist, und der Flansch 30 des Kragens
an dem Ring 36 anstößt.
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Beispielsweise
würde für ein Federelement 26 mit
einer Federrate von 8,57 kg/cm (48 Pfund/inch) und einer freien
Länge von
4,57 mm (0,180 inch) eine typische Vorbelastungslänge in dem
zusammgebauten Brenner 10 ungefähr 3,30 mm (0,130 inch) sein,
entsprechend einer Vorbelastungskraft von ungefähr 1,09 kg (2,40 Pfund). Für einen
Düsenweg,
der ungefähr
0,381 mm (0,015 inch) entspricht, würde eine Länge des Federelements 26 bei
vollem Düsenweg
ungefähr
2,92 mm (0,115 inch) entsprechend einer Federkraft von ungefähr 1,42
kg (3,12 Pfund) betragen. Bei einem Düsendurchmesser von ungefähr von 1,12
cm (0,440 inch) und einer Querschnittsfläche von ungefähr 0,98
cm2 (0,152 Quadratinch) beträgt beim
Unterdrucksetzen der Plasmakammer 40 auf ungefähr 2,81
kg/cm2 Eichmaß (40 psig) beträgt die pneumatische
Kraft ungefähr
2,76 kg (6,08 Pfund), fast zweimal die 1,42 kg (3,12 Pfund) Kraft,
die erforderlich ist, um die Federkraft zu überwinden. Dementsprechend
wird die Düse 18 zuverlässig während des
Kontaktstartens verschoben und während
des Brennerbetriebs auf vollem Verschiebeweg gehalten.
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Indem
die Düse 18 als
eine integrale Baugruppe aus dem Glied 20 und dem Federelement 26 gemacht
wird, wird der Austausch und die Erneuerung des Federelements 26 gewährleistet,
wann immer die Düse 18 ausgetauscht
wird. Dementsprechend wird die Zuverlässigkeit des Startens des Systems
nicht durch thermische oder mechanische Abnutzung des Federelements 26 verschlechtert,
und das falsche Zusammensetzen des Brenners 10 ohne das
Federelement 26 wird vermieden.
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Andere
Verfahren, das Federelement 26 als Teil einer integralen
Baugruppendüse 18 zu
halten, werden im Folgenden angegeben. Zum Beispiel kann, anstatt
das Federelement axial zwischen gegenüberliegenden Flanschen 24, 30 einzuschließen, ein
Ende des Federelements 26 wie in den 3A bis 3B dargestellt,
befestigt sein. Zuerst mit Bezug auf 3A umfasst
das Äußere der
Düse 118 einen
sich radial erstreckenden Flansch 124, der sowohl eine
Halte- als auch eine Reaktionsfläche
für das
Federelement 126 bildet. Vor dem Zusammenbau umfasst der
Flansch 124 eine sich longitudinal erstreckende Lippe 44,
die in Umfangsrichtung ununterbrochen oder als eine Reihe von diskreten
nebeneinander angeordneten Streifen ausgebildet sein kann. Das Federelement 126 wird
axial durch plastisches Verformen der Lippe 44 um einem
nahen Abschnitt des Elements 126 gehalten, wie in 3B dargestellt.
Der Verschiebeweg der Düse 118,
wenn sie in den Brenner 110 eingebaut ist, wird durch die Düsenkörperstufe 46 oder
ein anderes ähnliches Merkmal
begrenzt, das integral darin ausgebildet ist. Die Stufe 46 stößt ähnlich gegen
den Vorbelastungsring 36 bei der Unterdrucksetzung der
Plasmakammer an, wie oben mit Bezug auf den Weg der Düse 18 beschrieben.
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Bei
einer anderen Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird die gewünschte Funktionalität erreicht,
indem das Federelement als eine Komponente der Haltekappe oder des
Vorbelastungsrings kombiniert wird, anstatt von der Düse, wie
in den 4A bis 4C gezeigt.
Zuerst mit Bezug auf 4A ist der Arbeitsendabschnitt
eines Zweistromplasma-Lichtbogenbrenners 110 in einem zusammengebauten
oder stromabgeschalteten Zustand gemäß dieser Ausführung der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Brenner 110 umfasst
eine zentral angeordnete Elektrode 112 und eine Düse 218.
Die Düse 218 kann
einen einstückigen
Aufbau haben und umfasst einen sich radial erstreckenden Flansch 24,
der als eine Reaktionsfläche
für das
Federelement 226 wirkt.
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Diese
Düse 218 wird
in dem Brenner 110 durch eine Haltekappe 132 eingeschlossen.
Gemäß der Erfindung
ist das Federelement entweder einstückig mit der Düse 218 oder
mit der Kappe 132.
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Die
Kappe 132 umfasst eine hohle kegelstumpfförmige äußere Hülle 134,
die den Vorbelastungsring 136 einschließt, der koaxial darin angeordnet
ist. Der Vorbelastungsring 136 umfasst eine ringförmige Rille 48 entlang
eines inneren Abschnitts davon, die bemessen und ausgebildet ist,
um darin das Federelement 226 aufzunehmen. Aufgrund der
elastischen Natur des Federelements 226 kann der Vorbelastungsring 136 in
einstückiger
Konstruktion hergestellt werden, und das Federelement 226 kann
danach in die Rille 48 eingesetzt werden. In Abwesenheit
des direkten Versuches, dieses Federelement 226 aus der
Rille 48 herauszubekommen, wird das Federelement 226 in
dem Vorbelastungsring 136 gehalten werden, und kann als
eine integrale Baugruppe für
die hier offenbarten Zwecke betrachtet werden.
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Um
den Brenner 110 zusammenzubauen, wird die Düse 218 zuerst über der
Elektrode 112 angeordnet, gefolgt von dem Vorbelastungsring 136 mit dem
integralen Federelement 226. Die Hülle 134 wird danach
an dem Brennerkörper 116 befestigt.
In dem zusammengebauten Zustand wird die Düse 218 in aneinanderstoßende Beziehung
mit der Elektrode 112 durch die Reaktion des Federelements 226 gegen
den Flansch 224 der Düse
vorgespannt.
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Die
Düse 218 ist
unter dem Druck in der Plasmakammer 140 weg von der Elektrode 112 longitudinal
verschiebbar, wobei die Distanz durch den Abstand zwischen der Düsenstufe 146 und
der Vorbelastungsringstufe 142 reguliert wird. Hier ist
wieder dieser Baugruppenabstand vorbestimmt, um eine zuverlässige Initiierung
und Beibehaltung des Zündbogens
zu gewährleisten. 4B stellt
die relative Position der Düse 218 bei
vollem Weg in dem unter Druck gesetzten Zündbogenzustand dar. Man beachte
relativ zu 4A die Kompression des Federelements 226,
den longitudinalen Abstand zwischen der Düse 218 und der Elektrode 112,
und das Anstoßen der
Düsenstufe 146 mit
der Vorbelastungsringstufe 142.
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4C zeigt
eine schematische Schnittansicht der Haltekappe 132, die
in 4A dargestellt ist, vor dem Einbau in den Brenner 110.
Weder die Elektrode 112 noch die Düse 218 sind in dieser
Ansicht wegen der Klarheit der Darstellung dargestellt. Die Haltekappe 132 kann
als Einheitskonstruktion hergestellt werden, oder als eine Baugruppe
mit dem integralen Federelement 226. Gemäß der Erfindung ist
das Federelement entweder integral mit der Düse 218 oder mit der
Kappe 132. Alternativ kann die Kappe 132 als eine
Hülle 134 und
passend zu dem Vorbelastungsring 136 hergestellt werden.
Zusätzliche wünschenswerte
Merkmale für
das richtige Funktionieren des Brenners 110 können ohne
Weiteres integriert werden, z.B. Gaskreisläufe zum Zuführen des Stroms in den Ringraum 141.
Das Bereitstellen diskreter Komponenten, um die Kappe 132 zu
bilden, erleichtert die Verwendung von passenden Sätzen von Elektroden 112,
Düsen 218 und
Vorbelastungsringen 136 mit einer gemeinsamen äußeren Hülle 134,
um verschiedenen Leistungsniveaus und Anwendungen zu genügen.
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Ob
ein Federelement als integrales Teil einer Düsenbaugruppe oder Kappe (oder
Vorbelastungsring bei einem Brenner, der nicht von der Erfindung abgedeckt
ist) integriert wird, kann von den Nutzungszeiträumen der Komponenten beeinflusst
werden. Es ist wünschenswert,
das Federelement vor der Verschlechterung auszutauschen, und daher kann
es vorteilhafterweise in eine Komponente mit einem vergleichsweisen
oder kürzeren
Nutzungszeitraum integriert werden.
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Wie
hier oben kurz diskutiert, kann irgendeine Federkonfiguration einer
Vielfalt von Federkonfigurationen eingesetzt werden, um die gewünschte Vorspannfunktion
des Federelements zu erzielen. Ein wünschenswertes Merkmal ist die
Fähigkeit
des Federelements, den hohen Umgebungstemperaturen zu widerstehen,
die es in dem Arbeitsendabschnitt eines Plasmalichtbogenbrenners 10 erfährt. Ein
weiteres wünschenswertes
Merkmal ist die Fähigkeit,
die verwendbare Lebensdauer als eine Funktion thermischer und/oder
mechanischer Zyklen vorherzusagen. Dementsprechend kann das Material und
die Konfiguration des Federelements vorteilhafterweise ausgewählt werden,
um eine zuverlässige wiederholbare
Vorspannkraft für
die Plasmakammergasdrücke
zu schaffen, die für
die Nutzlebensdauer der integralen Düse oder Haltekappe eingesetzt
werden.
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Mit
Bezug auf die 5A bis 4F werden
verschiedene Ausführungen
der Federkonfigurationen dargestellt, die eingesetzt werden können, um
die oben erwähnte
Funktionalität
zu erreichen. Diese Ausführungen
sind in der Natur beispielhaft und sind nicht dafür gedacht,
als beschränkend
interpretiert zu werden, entweder in der Quelle, dem Material oder dem
Aufbau.
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5A zeigt
eine schematische Auf- und Seitenansicht einer elastischen Komponente,
die allgemein als eine Wellenfederscheibe 26a bezeichnet wird,
die herkömmlicherweise
bei Druckbelastungsanwendungen für
kleine Verbiegungen mit beschränkter
radialer Höhe
eingesetzt werden. Die Unterlegscheibe 26a hat im Großen und
Ganzen eine radiale Kontur; jedoch onduliert die Oberfläche leicht in
der Längs-
oder Axialrichtung. Die Unterlegscheibe 26a ist in Hartstahl
und rostfreiem Stahl von Associates Spring, Inc., Maumee, OH 43537
erhältlich.
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Wie
in 5B dargestellt, wird eine schematische Auf- und
Seitenansicht von einer elastischen Komponente angegeben, die allgemein
als eine Fingerfederscheibe 26b bezeichnet wird, die herkömmlicherweise
eingesetzt werden, um übermäßige Längsabstände zu kompensieren,
und um die Vibration bei Drehausrüstungen zu dämpfen. Die
Unterlegscheibe 26b hat einen unterbrochenen Umfang mit
axial verformten äußeren Fingern.
Die Unterlegscheibe 26b ist in Hartstahl von Associates
Spring, Inc. erhältlich.
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5C zeigt
eine schematische Auf- und Seitenansicht einer elastischen Komponente,
die allgemein als eine gebogene Federscheibe 26c bezeichnet
und typischerweise eingesetzt wird, um einen longitudinalen Abstand
durch die Ausübung
einer niedrigen Druckbelastung zu kompensieren. Die Unterlegscheibe 26c hat
eine radiale Kontur und eine gebogene oder gekrümmte Oberfläche entlang einer axialen Richtung.
Die Unterlegscheibe 26c ist in Hartstahl und rostfreiem
Stahl von Associates Springs, Inc. erhältlich.
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Wie
in 5D dargestellt, werden eine schematische Auf- und Seitenansicht
für eine
elastische Komponente angegeben, die allgemein als eine Flachdrahtdruckfeder 26d der
Scheitel-zu-Scheitel-Vielfalt bezeichnet wird. Die Feder 26d hat
eine radiale Kontur und eine Reihe von ondulierenden Flachfederwindungen,
die an jeweiligen Scheiteln aneinander anstoßen. Diese besondere Ausführung umfasst
planare Enden und ist in Hartstahl und rostfreiem Stahl von Smalley
Steel Ring Company, Wheeling, IL 60090 erhältlich.
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5E zeigt
eine schematische Auf- und Seitenansicht einer üblichen schraubenförmigen Druckfeder 26e,
wobei die Seitenansicht sowohl den freien Zustand als auch zusammengedrückte Konturen
darstellt. Die Feder 26e hat quadratische geschliffene
Enden und ist von Associated Spring, Inc. in Musikdraht für Umgebungstemerpaturanwendungen
bis zu ungefähr
121 °C (250 °F) und in
rostfreiem Stahl für
Umgebungstemperaturanwendungen bis zu ungefähr 260 °C (500 °F) erhältlich.
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Wie
in 5F dargestellt, wird eine schematische Auf- und
Seitenansicht für
eine elastische Komponente angegeben, die als eine geschlitzte konische
Scheibe oder RINGSPANNTM Star Disc 26f bekannt
ist, die gewöhnlich
eingesetzt wird, um ein intern angeordnetes zylindrisches Glied
relativ zu einer umschriebenen Bohrung zu klemmen, oder um ein Glied
an einer Welle zu halten. Die Scheibe 26f hat eine radiale
Kontur mit sich abwechselnden radialen Innen- und Außenschlitzen
und einer flachen konischen axialen Kontur, die die gewünschte Vorspannkraft
zur Verwendung als ein Federelement bereitstellt. Die Steifigkeit
ist eine Funktion von sowohl der Scheibendicke als auch der Schlitzlänge. Die Scheibe 26f ist
in gehärtetem
Federstahl von Powerhold, Inc., Middlefield, CT 06455 erhältlich.
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Obwohl
es wünschenswert
ist, dass das Federelement 26 integral mit der Düse 18 oder
der Haltekappe 32 ist, um den Austausch mit anderen Verbrauchsteilen
zu gewährleisten,
ist es nicht notwendig. Zum Beispiel stellt 6A eine
schematische, zum Teil freigeschnittene Schnittansicht des Arbeitsendabschnitts
eines luftgekühlten
Plasmalichtbogenbrenners 210 in einer stromabgeschalteten
Betriebsart gemäß einer
weiteren Ausführung
der vorliegenden Erfindung dar. Der Brenner 210 umfasst
eine Düse 218,
die in aneinandergrenzende Beziehung mit einer zentral angeordneten
Elektrode 212 durch ein Federelement 326 vorgespannt
ist, das hier als eine schraubenförmige Druckfeder dargestellt
ist. Die Düse 218 hat
einen einstückigen
Aufbau und umfasst eine longitudinale Stufe 246 an dem
Flansch 324, gegen den das Federelement 326 wirkt.
Das Federelement 326 wirkt auch gegen die Stufe 138 der
Haltekappe 232. Die Düse 218 umfasst
ferner einen sich radial erstreckenden Flansch 50, der
radial mit der Kappenstufe 238 ausgerichtet ist, wobei
der Längsabstand
dazwischen die Grenze des Weges der Düse 218 definiert,
wenn die Plasmakammer 240 voll unter Druck gesetzt ist.
Um den Brenner 210 zusammenzubauen, wird die Düse 218 über der
montierten Elektrode 212 angeordnet, wobei das Federelement 326 eingesetzt
und die Haltekappe 232 an dem Körper 216 durch eine
Schraubverbindung oder andere Mittel befestigt ist. Die Länge des
Federelements 326 im freien Zustand und der eingebaute
Ort der Kappenstufe 138 und der Düsenstufe 246 sind
vorbestimmt, um die gewünschte
Federelementvorbelastung beim Zusammenbauen zu gewährleisten.
Der Brenner 210 umfasst auch ein Gasschild 52,
das danach zum Kanalisieren eines Luftstroms um die Düse 218 installiert
wird.
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Der
Brenner
210 umfasst einen optionalen Isolator
54,
der radial zwischen der Haltekappe
232 und dem Düsenflansch
324 angeordnet
ist. Der Isolator
54 kann an der Haltekappe
232 durch
eine radiale Presspassung, Kleben oder ein anderes Verfahren befestigt
sein, und sollte aus einem dimensmäßig stabilen Material sein,
damit es nicht bei höheren Temperaturen
messbar wächst
oder sich verformt. Ein beispielhaftes Material ist VESPEL
TM, das von E.I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington,
DE 19898 erhältlich ist.
Indem der Isolator
54 zwischen dem Flansch
324 und
der Haltekappe
232 bereitgestellt wird, wird einen Mikrobogen
bilden, und die damit verbundene Abnutzung entlang der Gleitflächen davon
während
der Verschiebung der Düse
218 verhindert,
was andernfalls dazu führen
könnte,
die Düse
218 zu
verstopfen. Um einen zuverlässigen elektrischen
Stromweg durch das Federelement
326 während des Initiierens des Zündbogens
zu schaffen, kann eine schraubenförmige Metalldruckfeder mit
flachen geschliffenen Enden wie dargestellt eingesetzt werden. Die
Feder sollte aus einem nicht-oxidierenden Material gemacht sein,
wie z.B. rostfreiem Stahl, und muss nur den anfänglichen Stromfluss zwischen der
Düse
218 und
dem Halteglied
232 während
der Verschiebung der Düse
unterstützen,
weil bei vollem Düsenweg
die Düsenstufe
246 an
die Haltekappenstufe
238 anstößt, wie in
6B dargestellt.
Der Brenneraufbau bei dem Zündbogenzustand
mit der unter Druck gesetzten Plasmakammer
240 und der Düse
218 bei
vollem Weg ist in
6B dargestellt.
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Wenn
man eine Schraubendruckfeder 26e als das Federelement verwendet,
kann eine im Wesentlichen integrale Baugruppe der Feder 26e und des
Düsenfederglieds 120,
wie bei der Düse 318 in 7 dargestellt,
erreicht werden. Der nominale Durchmesser des Glieds 120 wird
in der Nähe
des Düsenflansches 424 vergrößert, gegen
den die Feder 26e anstößt, um eine
radiale Presspassung damit zu erzeugen. Der Rest des Glieds 120 hat
einen Nenndurchmesser, der geringer als die Nennbohrung der Feder 26e ist.
Dementsprechend wird die Feder 26e, sobald sich die Feder 26e auf
dem Glied 120 gesetzt hat, festgehalten, kann nicht falsch
angeordnet werden oder von der Baugruppe weggelassen werden, und
kann selbstverständlich
ausgetauscht werden, wenn die Düse 318 ausgetauscht
wird.
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Jetzt
mit Bezug auf 8A wird ein Plasmalichtbogenbrenner 310 in
einer stromabgeschalteten Betriebsart gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Brenner 310 umfasst eine zentral
angeordnete Elektrode 312 mit einem Spiralgasstromdurchgang 56,
von der in dem '871
Patent offenbarten Art, der in einen radial vergrößerten Schulterabschnitt
davon gearbeitet ist. Die Elektrode 312 ist fest in dem
Brenner 310 montiert, der auch eine verschiebbare Düse 418 umfasst.
Die Düse 418 kann
einen einstückigen
Aufbau aufweisen und umfasst einen sich radial erstreckenden Flansch 524,
der als eine Reaktionsfläche
für das
Federelement 426 wirkt, das hier schematisch im Querschnitt als
ein "Z" dargestellt ist.
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Das
Federelement 426 wirkt auch gegen die Stufe 338 der
Haltekappe 332. Die Düse 418 umfasst ferner
eine sich radial erstreckende Stufe 346, die radial mit
der Kappenstufe 338 ausgerichtet ist, wobei der longitudinale
Abstand dazwischen die Grenze des Wegs der Düse 418 definiert,
wenn die Plasmakappe 340 voll unter Druck gesetzt wird.
Um den Brenner 310 zusammenzubauen, wird die Düse 418 über der
schraubenförmig
gerillten montierten Elektrode 312 und dem Drallring 58 angeordnet,
das Federelement 426 wird eingesetzt, und die Haltekappe 332 an
dem Körper 316 durch
eine Schraubverbindung befestigt. Die Länge des Federelements 426 im freien
Zustand und der zusammengebaute Ort der Kappenstufe 338 und
des Düsenflansches 524 sind vorbestimmt,
um die gewünschte
Federelementvorbelastung beim Zusammenbau zu gewährleisten. Der Brenner 310 umfasst
auch ein Gasschild 352, das danach installiert wird, um
den Luftfluss um die Düse 418 zu
kanalisieren. Das Federelement 426 ist entweder an der
Düse 418 beim
Flansch 524 oder an der Haltekappe 332 in der
Nähe der
Stufe 338 über irgendein
oben diskutiertes Verfahren befestigt, in Abhängigkeit von der Art der eingesetzten
Feder.
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Mit
Bezug auf 8B wird der Brenner 310 in
dem Zündbogenzustand
dargestellt. Das Unterdrucksetzen der Plasmakammer 340 bewirkt
eine longitudinale Verschiebung der Düse 418 weg von der
Elektrode 312, wobei das Federelement 426 zusammengedrückt wird.
Der Plasmagasdruck und die Volumenflussrate sind hinreichend hoch,
um das Federelement 426 zusammenzudrücken, während Gas an die Umgebung durch
die Öffnung 122 und
die hintere Entlüftung 60 entlüftet wird,
nachdem es durch diesen Spiraldurchgang 56 getreten ist.
Bezug genommen wird auf das '871
Patent für
weitere Details, die das Bemessen des Spiraldurchgangs betreffen, um
den gewünschten
Druckabfall über
die Elektrode 312 zu entwickeln. Der Durchgang 56 verstärkt sowohl
das Kühlen
der Elektrode und entwickelt einen Rückdruck, um das Unterdrucksetzen
der Plasmakammer 340 und das Verschieben der Düse 418 zu erleichtern.
Bei vollem Weg stößt die Düsenstufe 346 an
die Haltekappenstufe 338 an.
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9A zeigt
eine schematische teilweise freigeschnittene Schnittansicht des
Arbeitsendabschnitts von dem Plasmalichtbogenbrenner 410 in
einer stromabgeschalteten Betriebsart gemäß einer weiteren Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Sowohl die Elektrode 412 als auch
die Düse 518 sind fest
in dem Brenner 410 montiert, wobei der Drallring 158 dazwischen
angeordnet ist, um eine Gasströmung
in die Plasmakammer 440 bei der gewünschten Strömrate und Orientierung zu kanalisieren.
Der Drallring 158 umfasst drei Komponenten: einen hinteren
Ring 62, einen mittleren Ring 64 und einen vorderen
Ring 66. Der hintere und der vordere Ring 62, 66 werden
aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt, während der
mittlere Ring 64 aus einem elektrisch leitfähigem Material,
wie z.B. Kupfer, hergestellt wird. Das Federelement 526 wirkt
gegen den sich radial nach außen
erstreckenden Düsenflansch 624 und
den Flansch 130 des mittleren Drallrings. Die Haltekappe 432 spannt
das Federeleement 526 beim Zusammenbau und gewährleistet
einen engen Kontakt zwischen der nach hinten gerichteten Stufe 438 des
mittleren Rings 64 und der nach vorne gerichteten Stufe 446 der
Elektrode 412. Um einen Zündbogen zu initiieren, wird
Strom durch die Elektrode 412, den mittleren Ring 64,
das Federelement 526 und die Düse 518 geleitet. Wenn
die Plasmakammer 440 unter Druck gesetzt wird, verschiebt sich
der mittlere Ring 64 in Richtung der Düse 518, drückt das
Federelement 526 zusammen und zieht einen Zündbogen
in die Nähe
des Kontaktgebiets der Stufen 438, 446. Bei vollem
Weg, wie in 9B dargestellt, stößt das Bein 68 des
mittleren Rings 64 an die Stufe 242 der Düse 518 und
macht elektrischen Kontakt damit. Der Zündbogen geht von dem mittleren
Ring 64 auf die Düse 518 über und
kann danach auf ein Werkstück
auf eine herkömmliche
Weise übertragen
werden. Durch Kontrollieren des Drucks und der Volumenströmrate des
Plasmagases kann der mittlere Ring 64 schnell verschoben
werden, um zu gewährleisten,
dass der mittlere Ring 64 die Düse 518 vor dem Zündbogen
erreicht. Beispielsweise, unter Annahme einer verfügbaren pneumatischen
Kraft von ungefähr
6,835 kg (15 Pfund) oder 66,89 Newton und einer Drallringmasse von
ungefähr
0,010 kg beträgt
die Beschleunigung des Drallrings 64 (unter Vernachlässigung
der Reibung von Lagerflächen) ungefähr 6690
m/s2 (21.950 ft/s2).
Unter der Annahme eines Gesamtwegs von ungefähr 0,508 mm (0,020 inch) wird
die Verschiebezeit ungefähr
3,9 × 10–4 s
betragen. Der Zündbogen
wandert in Längsrichtung
mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Plasmagas. Dementsprechend
wird für
eine volumetrische Plasmagasrate von 2,36 × 10–4 m3/s (0,5 ft3/min)
beim Treten durch die ringförmige
Plasmakammer 440 mit einer Querschnittsfläche von
ungefähr
2,43 × 10–5 m2 (0,038 Quadratinch) die Geschwindigkeit
von dem Gas und dem Zündbogen
ungefähr
9,7 m/s (31,8 ft/s) betragen. Die Distanz, die der Bogen auf dem
mittleren Drallring 64 in den 3,9 × 10–4 s
von dem Drallring weg wandern wird, wird ungefähr 3,8 mm (0,1490 inch) betragen.
Solange wie das metallische Mittelteil des Drallrings 64 zumindest 3,8
mm (0,149 inch) in longitudinaler Abmessung beträgt, wird die Mitte des Drallrings 64 auf
der Düse 518 landen,
bevor der Zündbogen
das Ende von dem Drallring 64 erreicht.
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Der
mittlere Ring 64 oder die Düse 518 sind ausgelegt,
damit das Federelement als eine integrale Komponente damit gemacht
wird. Zum Beispiel kann der äußere Durchmesser
der Düse 518 in
der Nähe von
dem Flansch 624 vergrößert sein,
um eine diametrale Presspassung mit dem Federelement 526 zu erzeugen. Ähnlich kann
der Drallringdurchmesser in der Nähe von dem Flansch 130 vergrößert sein.
Bei einem Plasmalichtbogenbrenner, der nicht durch die Erfindung
abgedeckt ist, kann das Federelement 526 eine separate
Komponente sein. Alternativ könnte bei
einem Brenner, der nicht durch die Erfindung abgedeckt ist, das
Federelement 526 von der Haltekappe 432 durch
Modifizieren des Inneren davon mit einer Rille, einem verminderten
Durchmesser und einem anderen ähnlichem
Haltemerkmal gehalten werden.
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Indem
ein verschiebbarer Drallring 158 in Kombination mit einer
festen Düse 518 verwendet wird,
können
verschiedene Vorteile realisiert werden. Zunächst könnte eine Wasserkühlung der
Düse 518 für Anwendungen
mit einer hohen Düsentemperatur hinzugefügt werden,
wie zum Beispiel Pulverbeschichtung. Zusätzlich könnte, während der Brenner 410 ein
Gasschild 252 umfasst, der Brenner 410 ohne das
Schild 252 betrieben werden, um in Werkstückecken
oder andere Gebiete mit kleinem Freiraum zu reichen. Da die sich
verschiebenden Komponenten in der Haltekappe 432 angeordnet
sind, würden
sie nicht Staub, Trümmern
und Schnittabfällen
ausgesetzt sein, der dazu neigen könnte, Gleitflächen zu
verunreinigen und die Wirkung des Kontaktstartes des Systems zu
unterbinden.
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Während hier
beschrieben wurde, was als beispielhafte und bevorzugte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung betrach tet wird, werden weitere Modifikationen
der Erfindung den Fachleuten auf dem Gebiet aus der Lehre von hier
klar sein. Zum Beispiel könnte
das Schraubenfederelement 326 in den 6A bis 6B alternativ
fest als eine Komponente der Haltekappe 232 gehalten werden,
indem eine radiale Presspassung damit in der Nähe von der Stufe 138 geschaffen
wird. Zusätzlich
könnte
jede der offenbarten verschiebbaren vorgespannten Düsen- oder
Drallringkonfigurationen in Kombination mit dem Merkmal der verschiebbaren
Elektrode eingesetzt werden, das in dem '268 Patent offenbart ist.