DE69802062T2

DE69802062T2 - Elektrodenkörper/Elektrodenhalter Einheit für Plasmabrenner

Info

Publication number: DE69802062T2
Application number: DE69802062T
Authority: DE
Inventors: Gerard Marhic
Original assignee: La Soudure Autogene Francaise
Current assignee: Lincoln Electric Company France SA
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: EP0923276B1; FR2772547A1; ES2165136T3; FR2772547B1; PT923276E; EP0923276A1; US6252194B1; CA2290144A1; US6147318A; DE69802062D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenkörper/Elektrodenhalter-Einheit für einen Plasmabrenner, einen mit einer derartigen Einheit ausgestatteten Plasmabrenner und ein Verfahren zum Schweißen, Schneiden oder Markieren mittels Plasmabogen, das geeignet ist, einen derartigen Brenner einzusetzen.
Gewöhnlich bestehen Plasmabrenner aus einem Brennerkörper mit Anschlüssen an seinem Hinterteil für Zuführleitungen für Fluid, insbesondere plasmagenerierendes Gas, und für elektrischen Strom und, an seinem Vorderteil, aus Montagemitteln für den Elektrodenkörper und die Düse.
Um in bestimmten Fällen insbesondere die Instandhaltung und/oder das Ersetzen abgenutzter oder defekter Bauteile zu erleichtern, kann der Brenner in bestimmten Fällen mit Mitteln zum schnellen Zusammensetzen/Zerlegen versehen sein, wie in der Druckschrift EP-A-599709 beschrieben ist. Diese Druckschrift lehrt einen Plasmabrenner mit einem Brennerträger mit einer ersten Anlagefläche und Fluidleitungen; mit einer einstückigen Brennerkörpereinheit mit einer Elektrode, einer Düse, Fluidleitungen und einer zweiten Anlagefläche; und mit Mitteln zum Zusammensetzen, um die einstückige Brennerkörpereinheit rasch mit dem Brennerträger zusammenzusetzen, so daß die erste Anlagefläche axial an der zweiten Anlagefläche zu Anlage kommt und daß die Fluidleitungen des Brennerträgers mit den Fluidleitungen der einstückigen Brennerkörpereinheit in Verbindung kommen.
Wie im folgenden ausführlich beschrieben wird, wird die eigentliche Elektrode bei den klassischen Plasmabrennern im allgemeinen durch ein auch Elektrodenkörper genanntes Trägerelement gehalten, das zudem eine Abstrahlungsfunktion erfüllt, indem es die Abführung eines Teils der während des Plasmaschweißens, -schneidens oder -markierens freigesetzten Wärme durch den Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid erlaubt.
Üblicherweise weist der Elektrodenkörper die Form einer mit einem Innengewinde versehenen Muffe mit kreisförmigem Querschnitt auf. Das auf einem Teil der inneren Umfangsfläche der Muffe angebrachte Innengewinde ermöglicht es, eine Schraubbefestigung des Elektrodenkörpers auf dem Elektrodenträger vorzunehmen, der auf seinem äußeren Umfang ein komplementäres Gewinde trägt.
Es stellte sich nun aber heraus, daß bei dieser nur auf einer Schraubbefestigung beruhende Montageart die Zentrierung des Elektrodenkörpers nicht immer korrekt gewährleistet war.
Daraus ergibt sich dann eine beschleunigte Schädigung insbesondere der eigentlichen Elektrode und besonders der Düse, was somit zu einer häufigeren Ersetzung der aus der Elektrode und der Düse des Brenners gebildeten Einheit und ebenso zu einer Kostenzunahme führt.
Auch wenn ein Erhöhen der Länge der Gewinde es ermöglicht, dieses Problem der schlechten Zentrierung der Elektrode zum Teil zu beheben, kann diese Lösung nicht als völlig befriedigend betrachtet werden, denn sie bringt eine Verminderung der inneren Oberfläche mit sich, die den Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Elektrodenkörper ermöglicht, und damit eine erhebliche Absenkung ihres Kühlwirkungsgrads. Mit anderen Worten, erfolgt die Verlängerung der Befestigungsgewinde zum Nachteil der Wärmeübergänge; dies ist nicht akzeptabel.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die vorgenannten Probleme zu beheben, indem eine Einheit mit männlichem/weiblichem Teil für einen Plasmabrenner vorgeschlagen wird, deren Bauform es insbesondere ermöglicht, die Zentrierung des Elektrodenkörpers auf dem Elektrodenhalter zu verbessern und dies, ohne eine Verlängerung der Befestigungsgewinde zu erfordern.
Die Vorliegende Erfindung betrifft daher einen Elektrodenkörper für einen Plasmabrenner, der im wesentlichen die Form einer Muffe aufweist und folgendes umfaßt:
- auf einem Oberteil seiner inneren Umfangsfläche zumindest ein Innengewinde, innerhalb dessen zumindest eine Aussparung angebracht ist, die sich über die ganze Länge des Innengewindes erstreckt, wobei der mit dem Innengewinde versehene Teil im Querschnitt einen Durchmesser D1 aufweist, und
- zumindest ein Unterteil, das einen Hohlraum mit Durchmesser D2 begrenzt, der zwischen dem mit einem Innengewinde versehenen Oberteil und dem Boden des Elektrodenkörpers liegt, wobei D2 > D1.
Der erfindungsgemäße Elektrodenkörper kann von Fall zu Fall eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
- der Elektrodenkörper umfaßt mehrere Aussparungen;
- die Aussparungen des Elektrodenkörpers bilden im Querschnitt ein Vieleck;
- die Aussparungen bilden ein Vieleck, das entweder ein Dreieck, ein Quadrat, ein Fünfeck, ein Sechseck, ein Siebeneck oder ein Achteck ist;
- der Boden des Elektrodenkörpers, das heißt sein aktives Ende, umfaßt eine Elektrode;
Die Erfindung betrifft ebenso eine Einheit mit männlichem/weiblichem Teil für einen Plasmabrenner mit einem Elektrodenkörper, der im wesentlichen die Form einer Muffe hat, die das weiblichen Teil bildet, und einem Elektrodenträger von in wesentlichen länglicher Form, der das männliche Teil bildet, bei der:
- der Elektrodenkörper so wie oben definiert ist, und
- der Elektrodenträger auf seiner äußeren Umfangsfläche zumindest ein Formstück umfaßt, das zumindest lokal im Querschnitt ein Profil aufweist, das dem Profil der zumindest einen Aussparung des Elektrodenkörpers entspricht, und zumindest ein Gewinde, wobei das Formstück zwischen dem unteren Ende des Elektrodenträgers und dem Gewinde liegt.
Die Erfindung betrifft auch einen Plasmabrenner wie er in den Ansprüchen 9 bis 11 angegeben ist, und eine automatische Maschine zum Schweißen, Schneiden oder Markieren mittels Plasmabogen, die mit einem derartigen Plasmabrenner ausgestattet ist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Schweißen, Schneiden oder Markieren mittels Plasmabogen, das einen erfindungsgemäßen Plasmabrenner einsetzen kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, die nur im Sinne eines veranschaulichenden, aber den Schutzumfang nicht beschränkenden Beispiels gegeben werden.
Fig. 1 stellt eine Skizze eines Längsschnitts · eines Teils des distalen Endes einer Einheit mit männlichem/weiblichem Teil dar, mit der ein Plasmabrenner gemäß dem Stand der Technik ausgestattet ist. Diese Einheit 1 mit männlichem/weiblichem Teil besteht aus einem Elektrodenträger 4, dessen distales Ende 4' auf seiner äußeren Umfangswand ein Gewinde 5' trägt, einem Elektrodenkörper 3, der ein auf einem Teil seiner inneren Umfangswand seines proximalen Endes 3' angebrachtes Innengewinde 5 trägt und zudem die eigentliche Elektrode 2 hält.
Der Elektrodenkörper 3 weist im wesentlichen die Form einer Muffe auf und wird auf dem Elektrodenträger 4 nur durch Verschraubung mittels des Gewindes 5' und des Innengewindes 5 befestigt, die von dem distalen 4' beziehungsweise proximalen Ende 3' getragen werden.
Mit anderen Worten, die mit einem Gewinde 5' und einem Innengewinde 5 versehenen Teile sorgen nicht nur für die Zentrierung und Positionierung des Elektrodenkörpers 3 auf dem Elektrodenträger 4, sondern auch für die Aufrechterhaltung ihres Kontakts untereinander.
Zudem sorgt das Tauchrohr 6 für die Zuleitung einen Kühlfluids, das über die Innenwände des Elektrodenkörpers 3 und des Elektrodenträgers 4 streicht, so daß es für ihre Kühlung durch Wärmeaustausch sorgt. Üblicherweise wird der Elektrodenkörper 3 aus einem Metall oder eine Metallegierung hergestellt, beispielsweise aus einer Kupferlegierung.
Die Elektrode 2 ist eine Elektrode zum Schneiden, Schweißen oder Markieren mittels Plasmabogen, die von Fall zu Fall einer Verstärkung oder einen Vorsprung an ihrem stromabwärtigen Ende aufweisen kann und die aus einem Material gefertigt werden kann, für das insbesondere Hafnium, Zirkon oder Wolfram gewählt werden können.
Die in Fig. 1 dargestellte Einheit 1 mit männlichem/weiblichem Teil weist mehrere Nachteile auf, insbesondere daß, sie in Anbetracht der Tatsache, daß die Zentrierung nur durch die mit Gewinden versehenen Teile 5 und 5' erfolgt, zu einer ungenügenden oder inkorrekten Zentrierung des Elektrodenkörpers 3 auf dem Elektrodenträger 4 führt.
Aus einer inkorrekten Zentrierung des Elektrodenkörpers 3 auf dem Elektrodenträger 4 ergeben sich nun aber insbesondere schnellere Schädigungen der Elektrode und/oder der Düse.
Die Fig. 2 bis 8 stellen ihrerseits Skizzen des Elektrodenträgers 3 oder des Elektrodenkörpers 4 gemäß der vorliegenden Erfindung in isolierter Form oder in Verbindung mit einer Einheit mit männlichem/weiblichem Teil dar.
Man beachte, daß die Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer Einheit mit männlichem/weiblichem Teil darstellt, die identisch zu derjenigen der Fig. 2 ist, aber angular um einen Winkel von etwa 45i versetzt ist, wie in Fig. 3a gezeigt ist.
Genauer gesagt sieht man in den Fig. 2 und 3 eine erfindungsgemäße Einheit 11 mit männlichem/weiblichem Teil, die eine Elektrode 2 umfaßt, die von einem Elektrodenkörper 3 getragen wird, der über sein proximales Ende 3' auf dem Elektrodenträger 4 mittels eines mit einem Gewinde versehenen Teils 15' und eines mit einem Innengewinde versehenen Teils 15 durch Verschraubung befestigt ist.
Das Innengewinde 15 ist auf dem proximalen Teil der Innenwand des Elektrodenkörpers 3 aufgebracht (siehe Fig. 4 und 5) und das Gewinde 15' wird von einem Teil der äußeren Umfangswand des Elektrodenkörpers 4 getragen (siehe Fig. 6).
Um die oben genannten Problem zu beheben und für eine korrekte und wirksame Zentrierung des Elektrodenkörpers 3 und damit der Elektrode 2 auf dem Elektrodenträger 4 zu sorgen, wurde das Innere des Elektrodenkörpers 3 maschinell so bearbeitet, daß er in der Nähe seines proximalen Endes 3' im Querschnitt eine hexagonale Form (H) aufweist, wie in Fig. 5 schematisch gezeigt ist.
Genauer gesagt wurden innerhalb des von der inneren Umfangswand des Elektrodenkörpers 3 getragenen Innengewindes Aussparungen 15 angebracht, so daß er die hexagonale Form (H) aufweist.
Überdies wurde auf dem distalen Ende 4' des Elektrodenträgers 4 ein Formstück 4" aufgebracht (siehe Fig. 6), das zur neuen inneren Bauform des Elektrodenkörpers 3 paßt. Genauer gesagt wurde, wie in den Fig. 2, 3 und 4 festzustellen ist, das distale Ende 4' des Elektrodenträgers 4 in Richtung zur Elektrode 2 verlängert und das auf seiner Außenwandung gelegene Formstück 4" weist im Querschnitt eine Form auf, die zumindest lokal komplementär zu derjenigen der Innenwandung des Elektrodenkörpers 3 ist, das heißt es weist hier eine ebenso hexagonale Form auf, wie in Fig. 6A schematisch dargestellt ist.
Es sollte jedoch deutlich herausgestellt werden, daß die Form der Aussparungen 8 und/oder des Formstücks 4" nicht zwingenderweise eine symmetrische Form ist, wie vor allem konvexe oder konkave Polygonalformen oder Formen mit mehrfachen Ausbuchtungen. Die Aussparungen 8 und das Formstück 4" können tatsächlich mehr oder weniger komplexe Formen annehmen, die insoweit zueinander teilweise oder vollständig komplementär sind, als die Verschiebbarkeit zueinander durch Ineinandergreifen des Elektrodenträgers und des Elektrodenkörpers sichergestellt ist.
Zudem wurde ein Gewinde 15' auf der äußeren Umfangswand des Elektrodenträgers 4 angebracht, so daß er durch Verschraubung mit dem von dem Elektrodenkörper 3 getragenen Gewinde 15 zusammenwirken kann.
Durch die Bauform des erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers 3 und des Elektrodenträgers 4 fördert man beim Plazieren des Elektrodenkörpers 3 auf dem Elektrodenträger 4 eine nahezu perfekte Zentrierung des Elektrodenkörpers 3 auf dem Elektrodenträger 4.
Das Plazieren des Elektrodenkörpers 3 auf dem Elektrodenträger 4 ist in den Fig. 7 und 8 ausführlich dargestellt.
Diese Plazierung besteht aus einer Montagephase (Fig. 7) und einer Phase des Festziehens (Fig. 8). Während der Montagephase (Fig. 7) wird der Elektrodenträger 4 längs einer Translationsbewegung ins Innere der Muffe, die den Elektrodenkörper 3 bildet, bis zum Beginn des Gewindes 15' eingeführt, wobei das Gewinde 15' als Anschlag dient. Anschließend wird während der Phase des Festziehens (Fig. 8) die eigentliche Verschraubung der mit einem Gewinde 15' versehenen und der mit einem Innengewinde/Aussparungen 15 versehenen Teile miteinander durchgeführt.
Die Zentrierung des Elektrodenkörpers 3 auf dem Elektrodenträger 4 wird im Grunde durch eine Führung/Positionierung des von dem Elektrodenträger 4 getragenen Formstücks 4" durch die innere Umfangswand der Aufnahme 16 erzielt, das heißt des Teils des Elektrodenhalters 3, der wie in Fig. 4 gezeigt ist, einen Durchmesser D2 aufweist.
Der Durchmesser D2 des mit einem Innengewinde 15 versehenen/bearbeiteten Teils 15 ist Auf jeden Fall ist auf jeden Fall kleiner als der Durchmesser D2 der Aufnahme 16, die zwischen dem mit einem Innengewinde 15 versehenen Teil und dem Boden des Elektrodenkörpers 3 liegt (siehe Fig. 4).
Außerdem wird in den Fig. 2 und 3 deutlich, daß die Länge d des Innengewindes 15 und des Gewindes 15', die von dem Elektrodenkörper 3 und dem Elektrodenträger 4 der erfindungsgemäßen Einheit mit männlichem/weiblichem Teil getragen werden, eindeutig kleiner als die Länge d' der Gewinde 5 und 5' der Teile einer Einheit mit männlichem/weiblichem Teil gemäß dem Stand der Technik (Fig. 1) sind. Der Umstand, die Größe d des Innengewindes 15 und des Gewindes 15' vermindern zu können, ist von Vorteil, denn eine derartige Größenreduktion erlaubt es bei konstanter äußerer Geometrie, insbesondere die Kühlung des Elektrodenkörpers 3 und der Elektrode 2 zu verbessern, indem eine Zunahme der Wärmetauschfläche ermöglicht wird, die im Vergleich zur Wärmetauschfläche eines Brenners gemäß dem Stand der Technik (Fig. 1) diese um 40% übertreffen kann.
Wie insbesondere in den Fig. 2 und 3A dargestellt ist, wurden Öffnungen 9, hier 4 an der Zahl, innerhalb des Endes 4' des Elektrodenträgers 4 angebracht, die den Durchtritt des durch den Kanal 6' des Tauchrohres 6 herangeführten Kühlflusses erlauben. Dieser Kühlfluß kann so in Kontakt mit der Innenwand des Elektrodenkörpers 3 kommen, um dort für eine wirksame und bessere Kühlung von ihr zu sorgen, als bei den klassisch erhaltenen Kühlungen.
Fig. 4 zeigt im Längsschnitt eine Skizze eines Elektrodenkörpers 3 analog zu demjenigen der Fig. 2 und 3, der ohne an einem Elektrodenträger befestigt zu sein dargestellt ist. In dieser Fig. 4 sieht man, daß der Elektrodenträger 3 die Form einer Muffe hat, die an ihrem distalen Ende die Elektrode 2 und an ihrem proximalen Ende 3' auf ihrer inneren Umfangswand ein Innengewinde 15 der Länge d trägt, in dessen Innerem Aussparungen 8 angebracht sind, so daß es einen hexagonalen Querschnitt H aufweist.
Dies wird in Fig. 5 deutlicher, die einen Querschnitt des mit einem Innengewinde versehenen Teils 15 der Fig. 4 darstellt und in der man erkennt, daß Aussparungen 8 in dem Innengewinde 15 angebracht wurden, so daß ihm eine im wesentlichen hexagonale Form (H) verliehen wurde.
Die Fig. 6 ist eine Skizze eines erfindungsgemäßen Elektrodenträgers 4, der auf seinem Ende 4' ein Gewinde 15' trägt, das dazu bestimmt ist, durch Verschraubung mit dem Innengewinde 15 des Elektrodenkörpers 3 der Fig. 4 zusammenzuwirken, und außerdem ein Formstück 4" mit einem Profil, das komplementär zu den innerhalb des Innengewindes 15 des Elektrodenkörpers 3 angebrachten Aussparungen 8 ist:
Die Abmessung D3 des Formstücks 4" des Elektrodenträgers 4 ist um den Betrag eines zweckmäßigen Spiels kleiner als der Durchmesser D2 der Aufnahme 16 des Elektrodenkörpers 3, um die Relativbewegung eines Teils in Bezug auf das andere zu ermöglichen, ihm aber hinreichend nahe oder ähnlich ist, um den gesuchten Zentrierungseffekt sicherzustellen und damit die korrekte Positionierung des Elektrodenkörpers 3 auf dem Elektrodenträger 4 zu gestatten.
Außerdem gilt es Sorge zu tragen, daß der Abstand M, der das gab 4 " von dem Beginn des Innengewindes 15' des Elektrodenträgers 4 trennt, größer als die Länge des Innengewindes des Elektrodenkörpers 3 ist.
Mit der erfindungsgemäßen Einheit 11 mit männlichem/weiblichem Teil können manuelle oder automatische Plasmabrenner ausgestattet werden.

Claims

1. Elektrodenkörper (3) für einen Plasmabrenner, der im wesentlichen die Form einer Muffe aufweist und folgendes umfaßt:

- auf einem Oberteil seiner inneren Umfangsfläche zumindest ein Innengewinde (15), innerhalb dessen zumindest eine Aussparung (8) angebracht ist, die sich über die ganze Länge (d) des Innengewindes (15) erstreckt, wobei der mit dem Innengewinde (15) versehene Teil im Querschnitt einen Durchmesser D1 aufweist, und

- zumindest ein Unterteil, das einen Hohlraum (16) mit Durchmesser D2 begrenzt, der zwischen dem mit einem Innengewinde (15) versehenen Oberteil und dem Boden des Elektrodenkörpers (3) liegt, wobei D2 > D1.

2. Elektrodenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Elektrodenkörpers (3) eine Elektrode (2) umfaßt.

3. Elektrodenkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Aussparungen (8) aufweist.

4. Elektrodenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Aussparungen (8) aufweist, die im Querschnitt ein Vieleck bilden.

5. Elektrodenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (8) ein Vieleck bilden, das entweder ein Dreieck, ein Quadrat, ein Fünfeck, ein Sechseck, ein Siebeneck oder ein Achteck ist.

6. Elektrodenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Metall oder einer Metallegierung, vorzugsweise aus einer Kupferlegierung hergestellt wird.

7. Elektrodenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Elektrode (2) umfaßt, die aus einem Material hergestellt ist, das aus Hafnium, Zirkon oder Wolfram ausgewählt wird.

8. Einheit mit männlichem/weiblichem Teil (11) für einen Plasmabrenner mit einem Elektrodenkörper (3), der im wesentlichen die Form einer Muffe hat, die das weiblichen Teil bildet, und mit einem Elektrodenträger (4) von in wesentlichen länglicher Form, der das männliche Teil bildet, bei der:

- der Elektrodenkörper (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 gestaltet ist, und

- der Elektrodenträger (4) auf seiner äußeren Umfangsfläche zumindest ein Formstück (4") umfaßt, das zumindest lokal im Querschnitt ein Profil aufweist, das dem Profil der zumindest einen Aussparung (8) des Elektrodenkörpers (3) entspricht, und zumindest ein Gewinde (15'), wobei das Formstück (4") zwischen dem unteren Ende des Elektrodenträgers (4) und dem Gewinde (15') liegt.

9. Plasmabrenner, der mit einem Elektrodenträger (4) versehen ist, der auf seiner äußeren Umfangsfläche zumindest ein Formstück (4") und zumindest ein Gewinde (15') umfaßt, wobei das Formstück (4") zwischen dem unteren Ende des Elektrodenträgers (4) und dem Gewinde (15') liegt, wobei das Formstück (4") zumindest lokal im Querschnitt ein Profil aufweist, das dem Profil der zumindest einen Aussparung (8) eines Elektrodenkörpers (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 entspricht.

10. Plasmabrenner, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Einheit mit männlichem/weiblichem Teil (11) nach Anspruch 8 ausgestattet ist.

11. Automatische Maschine zum Schweißen, Schneiden oder Markieren mittels Plasmabogen, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 10 ausgestattet ist.

12. Verfahren zum Schweißen, Schneiden oder Markieren mittels Plasmabogen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 10 eingesetzt wird.

13. Verwendung eines Elektrodenkörpers (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Plasmabrenner.