DE69919211T2

DE69919211T2 - Verfahren zum brennschneiden von eisenmaterialen z.b. baustahl mit plasmavorheizung

Info

Publication number: DE69919211T2
Application number: DE69919211T
Authority: DE
Inventors: Michel Delzenne; Regis Augeraud
Original assignee: La Soudure Autogene Francaise; Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude; Lincoln Electric Co France SA
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-12-04
Also published as: FR2787363A1; EP1140412B1; ES2226462T3; AU1508600A; WO2000037207A1; EP1140412A1; FR2787363B1; US6469274B1; DE69919211D1; ATE272461T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Schneiden von Eisenmetallen, insbesondere von Baustählen, die ein örtliches Vorheizen des Metalls durch einen Plasmastrom, der von einem Plasmabrenner abgegeben wird, und ein Schneiden des Metalls durch einen unter Druck stehenden Oxidationsgasstrom, wie etwa ein Schneidsauerstoffstrom, der von einer Verteilerdüse od. dgl. abgegeben wird, einsetzen.
Zurzeit sind mehrere Verfahren zum automatischen thermischen Schneiden von Metallen bekannt, die seit vielen Jahren auf industrieller Ebene verwendet werden.
Beispielhaft sind Brennschneiden, Plasmaschneiden und Laserschneiden, insbesondere von Baustählen, zu erwähnen.
Diese Verfahren basieren auf dem Punktschmelzen über die gesamte Dicke des zu auszuschneidenden Materials und auf der Verschiebung der Schmelzfront entlang eines Weges, welcher die Form des Ausschnitts oder der Fuge, der oder die durch das zu schneidende Material auszubilden ist, festlegt.
Diese verschiedenen Verfahren kann man nicht wirklich als konkurrierende Verfahren ansehen, da sie sich voneinander durch unterschiedliche Schnittleistung und Einsatz- und Betriebskosten unterscheiden.
Somit ist die Technik des Brennschneidens für ihre Kapazität bekannt, industriell Baustahldicken von 3 mm bis 300 mm zu schneiden und in selteneren Anwendungsfällen Dicken zu erreichen, die bis zu 2000 mm gehen können.
Obwohl die Kosten des Schneidwerkzeugs, d. h. des Schmelzrohrs dabei gering sind, weist ein Brennschneid verfahren insbesondere den Nachteil einer insgesamt übermäßigen Langsamkeit auf.
Das Plasmaschneiden ist hingegen für seine Fähigkeit bekannt, jede beliebige Metallmaterialart bei sehr hoher Leistungsfähigkeit zu schneiden.
Die Kosten des Schneidwerkzeugs, nämlich der aus dem Plasmabrenner und dem Stromerzeuger bestehenden Einheit, sind jedoch üblicherweise 30- bis 50-mal höher als bei dem vorigen Fall, also dem Brennschneiden.
Ansonsten ist das CO₂-Laserschneiden bekannt, um ausgezeichnete Schnittqualitäten zu erzeugen, besonders bei Dicken von weniger als 10 mm, d. h. in einem Dickenbereich, wo das Laserverfahren ebenfalls leistungsfähig ist.
Die Kosten des Schneidwerkzeugs, nämlich der aus dem Laserkopf und der CO₂-Laserquelle bestehenden Einheit, sind dagegen wiederum 200- bis 300-mal höher als bei dem Brennschneiden.
Allgemeiner gesagt basiert die Brennschneidtechnik auf der Verwendung der thermischen Energie, die durch die Verbrennung des Eisens erzeugt wird, zusammen mit der kinetischen Energie des Sauerstoffstrahls, die es ermöglicht, die während des Schneidens erzeugten Oxide aus der Schnittfuge auszustoßen.
Die Eisenverbrennung benötigt aber für ihre Einleitung und anschließend richtige Aufrechterhaltung das Vorhandensein von Vorheizflammen.
Dazu sind Brennschneid-Schmelzrohre herkömmlicherweise an ihrem unteren Ende mit einem Schneidkopf oder einer Verteilerdüse, im Allgemeinen zylindrischer Form, ausgestattet, der oder die einen mittleren Kanal zum Verteilen des Schneidsauerstoffs umfasst, der beabstandet von einem Kranz aus Kanälen zum Verteilen einer Mischung von brennbaren und verbrennungsfördernden Gasen umgeben ist, die dazu gedacht sind, eine Heiz- oder Vorheizflamme um den mittleren Schneidsauerstoffstrahl herum zu bilden.
Einen Brennschneidvorgang kann man schematisch durch einen Zyklus darstellen, der folgende Schritte umfasst:

a) Öffnen durch eine Bedienungsperson der brennbaren und verbrennungsfördernden Gashähne, welche die Heizöffnungen des Schneidkopfes versorgen,
b) Anzünden des Schneidschmelzrohrs, entweder manuell z. B. mittels einer Feuerzeugflamme, die an den Ausgang der Heizöffnungen des Schneidkopfes gehalten wird, oder automatisch z. B. durch einen piezoelektrischen Quarz, der es ermöglicht, einen Funken zu erstellen, der eine Gaszündflamme anzündet und dessen so erhaltene Flamme in Richtung auf die Heizöffnungen des Schneidkopfes ausgerichtet wird, um wiederum die Heizflamme des Schmelzrohrs anzuzünden,
c) Einstellen der Durchsätze der brennbaren und verbrennungsfördernden Gase über an dem Schmelzrohr angeordnete Hähne, um eine Flamme mit einem gewählten oder den technischen Vorschriften des Schmelzrohrherstellers entsprechenden stöchiometrischen Faktor zu erhalten,
d) Halten des Schmelzrohrs an den auf dem zu schneidenden Stück erforderlichen Zündpunkt,
e) örtliches Heizen des zu schneidenden Stücks, bis eine ausreichende Temperatur erreicht ist, die bei einem Stück aus Baustahl herkömmlicherweise bei etwa 1300°C liegt, damit die Eisen-Sauerstoff-Reaktion beginnen und aufrechterhalten werden kann,
f) Öffnen des Schneidsauerstoffs,
g) Durchbohren des Stücks über seine gesamte Dicke,
h) Ingangsetzen des Schmelzrohrs über die Achsen der Schneidmaschine und Ausführen des Ausschnitts nach einem oder mehreren programmierten Wegen,
i) Beenden des Schnitts mit Abschalten der Gasversorgung des Schmelzrohrs, um den Durchsatz von Schneidsauerstoff und das Heizen einzustellen, oder gegebenenfalls Abschalten des Schneidsauerstoffdurchsatzes und Aufrechterhalten des Heizens, um das Schmelzrohr an einem neuen Zündpunkt anzuordnen.

Die Leistungsfähigkeit der Brennschneidverfahren ist jedoch im Allgemeinen durch eine geringe Ausbreitgeschwindigkeit der Verbrennungsfront des Eisens, das Bestandteil des auszuschneidenden Materials ist, sowie durch die relativ lange Vorbereitungszeit für das eigentliche Ausschneiden, d. h. die Zeit zum Einstellen der Heizflamme und die lokale Heizzeit des Stücks, um eine für die Sauerstoffverbrennungsreaktion des Eisens geeignete Temperatur zu erreichen, benachteiligt.
Somit liegt wegen einer geringen, auf das Stück ausgeübten Heizleistungsdichte die Zeit, die notwendig ist, um das Material auf die erforderliche Temperatur zu bringen, im Allgemeinen zwischen 5 und 20 Sekunden und kann in Extremfällen Dauern von bis zu ungefähr 1 Minute erreichen.
Zudem ist diese Heizphase, auf welche die Auslösung der Sauerstoffverbrennungsreaktion folgt, wegen einer ungenauen Voraussagbarkeit der Zeit, die notwendig ist, um die richtigen Bedingungen zum Reaktionsbeginn zu erreichen, schwer zu automatisieren.
Die Faktoren, die diese Zeit beeinflussen können, sind nämlich insbesondere die Masse des Stücks, die spezifische Wärmeleitfähigkeit der zu erhitzenden Materialsorte, die Oberflächenbeschaffenheit des Materials, d. h. beispielsweise das eventuelle Vorhandensein von Zunder, Fett, Farbe oder einer anderen Beschichtung auf diesem Material, aber auch andere Faktoren, die mit der spezifischen Hitze der für das Erhitzen verwendeten Gase verbunden sind, sowie ihr Mischverhältnis.
In der Praxis überwacht meistens die Bedienungsperson den Heizvorgang sorgfältig und löst manuell die Öffnung des Schneidsauerstoffs aus, wenn sie den Eindruck hat, dass die für den Beginn der Brennschneidreaktion geeigneten Bedingungen gegeben sind.
Diese Gepflogenheit führt manchmal zu Fehlzündungen, d. h. zu unwirksamen oder unzulänglichen Zündungen, weil die Materialtemperatur unzureichend ist, oder umgekehrt zu einer übermäßigen Verlängerung der Anheizzeit aus Sicherheitsgründen, um sicher zu sein, dass die Zündung richtig erfolgt.
Zudem beschreibt die Druckschrift EP-A-790 756 die Verwendung eines Plasmastrahls zusammen mit einem Oxidationsgasstrahl. Das Oxidationsgas dient dazu, den Winkel und die anderen Schneidparameter zu optimieren, wohingegen der Plasmastrahl dazu dient, hauptsächlich den Schneideffekt zu erhalten. Der Oxidationsgasstrom beginnt geraume Zeit vor dem Aufbau des Plasmastrahls.
Daher liegt das sich ergebende Problem darin, die unwirksamen oder unzulänglichen Zündungen zu vermeiden oder möglichst gering zu halten und die Leistungsfähigkeit der Brennschneidverfahren insbesondere durch eine Verkürzung der Vorbereitungszeiten für den eigentlichen Schneidvorgang zu erhöhen, und zwar bevorzugt mit einer wirksamen Automatisierung des gesamten Prozesses.
Die von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung beruht auf der Verbindung eines Brennschneidverfahrens mit einem Heizverfahren durch Plasmastrahl oder -strom und auf der Ausrüstung für ihre Anwendung.
Die vorliegende Erfindung betrifft dabei ein Verfahren zum Plasmabrennschneiden mindestens eines Metallstücks, das mindestens ein Eisenmaterial enthält, insbesondere Eisen, wobei:

a) ein örtliches Vorheizen einer Zündzone des zu schneidenden Metallstücks vorgenommen wird, indem die Zündzone mindestens einem Plasmastrahl ausgesetzt wird;
b) mindestens ein Teil der Zündzone, die mindestens in Schritt a) vorgeheizt wurde, mindestens einem Oxidationsgasstrom bei einem Druck von mehr als 10⁵ Pa ausgesetzt wird;
c) mindestens eine Durchbohrung über die gesamte Dicke des auszuschneidenden Stücks in mindestens einem Teil der Zündzone, die mindestens dem Vorheizen durch Plasmastrahl nach Schritt a) ausgesetzt wurde, durch Verschmelzen und/oder durch Verbrennen des Eisenmaterials, das in dem Metallstück enthalten ist, durch eine Reaktion des Eisenmaterials mit dem Oxidationsgasstrom und/oder dem Plasmastrahl ausgeführt wird;
d) der Plasmastrahl und der Oxidationsgasstrom entlang eines Schneidwegs verschoben werden, um mindestens einen Teil, d. h. mindestens einen Abschnitt einer Schnittfuge über das Stück durch Verschmelzen und/oder Verbrennen des Eisenmaterials, das in dem Metallstück enthalten ist, mindestens durch eine Reaktion des Eisenmaterials mit mindestens dem Oxidationsgasstrom auszubilden.

Von Fall zu Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:

– Die in Schritt c) ausgeführte Durchbohrung wird durch eine Reaktion des Eisenmaterials mit mindestens dem Oxidationsgasstrom erhalten. In diesem ersten Fall ist es hauptsächlich der Oxidationsgasstrom, der verwendet wird, um das Metallstück zu durchbohren, und der Plasmastrahl dient einerseits nur zum Vorheizen der Zündzone und eventuell dazu, einen Verschmelzungs- und/oder Verbrennungsanfang des Eisens zu erreichen, das in dem Material enthalten ist, aus dem das Metallstück besteht, und andererseits zum Aufrechterhalten des Oxidationsverbrennungsstroms.
– Die in Schritt c) ausgeführte Durchbohrung wird durch eine Reaktion des Eisenmaterials mit dem Plasmastrahl erhalten. In diesem zweiten Fall ist es der Plasmastrahl, der nicht nur verwendet wird, um die Zündzone vorzuheizen, sondern auch, um das Metallstück durch Verschmelzen und/oder Verbrennen des Eisens, das in dem Material enthalten ist, aus dem das Metallstück besteht, zu durchbohren, und anschließend, wie in dem ersten Fall, dazu dient, den Oxidationsverbrennungsstrom aufrechtzuerhalten.
– Die Zündzone wird in Schritt a) auf eine Temperatur zwischen 1000°C und 1500°C, bevorzugt von 1200°C bis 1400°C, weiter bevorzugt von etwa 1300°C bis 1350°C, vorgeheizt.
– Die Vorheizdauer liegt zwischen 0,001 und 2 Sekunden, bevorzugt zwischen 0,01 und 1,5 Sekunden.
– Der Druck des Oxidationsgasstroms ist je nach der zu schneidenden Dicke und/oder der durch den Plasmastrahl erzeugten Heizenergie eingestellt oder angepasst.
– Der Durchsatz des Oxidationsgases ist größer als 1 l·min^–1, bevorzugt wird der Durchsatz des Oxidationsgasstroms je nach der zu schneidenden Dicke und/oder der von dem Plasmastrahl erzeugten Heizenergie eingestellt oder angepasst.
– Der Oxidationsgasstrom besteht aus Sauerstoff oder aus einer gasförmigen Mischung, die Sauerstoff enthält, insbesondere Luft.
– Die Verschmelzung und/oder Verbrennung des Eisenmaterials durch den Oxidationsgasstrom ist örtlich auf mindestens einen Teil der Zündzone begrenzt.
– Während des Schneidens wird jeder Abschnitt des Schneidwegs dem Plasmastrahl und dem Oxidationsgasstrom unterworfen, wobei der Großteil der Verschmelzung und/oder der Verbrennung des Materials entlang des Schneidwegs hauptsächlich durch die Reaktion des Eisens mit dem Oxidationsgasstrom sichergestellt wird.
– Der Plasmastrahl und der Oxidationsgasstrom werden koaxial oder zusammenlaufend abgegeben.
– Die Schnittfuge wird durch Verschieben bei einer ungefähr konstanten Schnittgeschwindigkeit des Plasmastrahls und des Oxidationsgasstroms, bevorzugt bei einer Schnittgeschwindigkeit, die von der zu schneidenden Dicke, dem Gasdurchsatz und/oder dem Gasdruck abhängig ist, z. B. bei einer Schnittgeschwindigkeit von etwa 0,6 m·min^–1 für ein 12 mm dickes Stahlblech, ausgebildet.

Die Erfindung betrifft auch eine Plasmabrennschneidanlage, die verwendbar ist, um ein Metallstück zu auszuschneiden, das mindestens ein Eisenmaterial, insbesondere Eisen, beinhaltet, umfassend:

– einen Brenner zum Vorheizen durch Plasmastrahl der Achse (Zt-Zt), um mindestens einen Plasmastrahl abzugeben, und eine Düse zum Verteilen eines Gasstroms der Achse (Zb-Zb), um mindestens einen Gasstrom abzugeben; wobei die Achse (Zb-Zb) der Verteilerdüse und die Achse (Zt-Zt) des Vorheizbrenners derart auf einen Brennpunkt ausgerichtet sind, dass die Gasstrahlen aus der Düse und dem Brenner auf den Brennpunkt hin zusammenlaufen, wobei der Brennpunkt sich bevorzugt ungefähr an oder in der Nähe der oberen Fläche des Metallstücks befindet;
– Tragrahmenmittel, die den Brenner zum Vorheizen durch den Plasmastrahl und/oder die Verteilerdüse tragen;
– Verschiebungsmittel, um den Plasmabrenner und die Verteilerdüse im Verhältnis zu dem Metallstück bevorzugt ungefähr synchron zu verschieben; und
– Steuermittel, um mindestens die Verschiebungsmittel und/oder mindestens einen Betriebszyklus des Brenners, bevorzugt die Betriebszyklen des Brenners, zu steuern, und wobei der Plasmabrenner und die Verteilerdüse jeweils Achsen aufweisen, die nicht ineinander übergehend und zusammenlaufend sind.

Von Fall zu Fall kann die erfindungsgemäße Anlage ein oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:

– eine oder mehrere Gasquellen,
– mindestens eine Stromquelle,
– Mittel zur Versorgung mit Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser,
– der Plasmabrenner ist von der Art mit einem oder mehreren Strömen, insbesondere mit zwei Strömen,
– der Plasmabrenner ist von der Art mit geblasenem und/oder übertragenem Lichtbogen,
– die Verschiebungsmittel sind motorisiert,
– sie umfasst mindestens Mittel zum Tragen des Stücks, die es ermöglichen, mindestens ein Metallwerkstück zu tragen und/oder festzuhalten,
– sie umfasst außerdem Mittel zum Steuern der relativen Verschiebungen zwischen dem Brenner und/oder der Düse und dem Werkstück,
– sie umfasst außerdem Mittel zum Zuführen des Werkstücks und/oder zum Abführen des bearbeiteten Stücks, d. h. nachdem dieses bearbeitet wurde,
– sie umfasst Mittel zum Programmieren der Schneidwege, Mittel zum Wegprogrammieren zur Übertragung von einem Schneidprogramm auf ein anderes und/oder Mittel zum Programmieren von Zündfolgen und/oder Löschfolgen der Plasmabrennschneidanlage.

Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß das "Heizmittel" durch Sauerstoff-Brennstoff, das bei den herkömmlichen Brennschneidverfahren verwendet wird, durch ein "Heizmittel" durch Plasmastrahl ersetzt.
Der Plasmastrahl wird durch einen Lichtbogen erzeugt, der in einem Plasma bildenden Gasstrom zwischen einer ersten und zum Plasma-"Schmelzrohr", auch Plasmabrenner genannt, gehörenden Elektrode und dem zu erhitzenden und auszuschneidenden Stück, das eine zweite Elektrode bildet, geschlagen wird.
Die Brenner- bzw. erste Elektrode ist mit dem Minuspol einer Gleichstromquelle verbunden, und das zu erhitzende und auszuschneidende Stück ist mit dem Pluspol der Quelle verbunden.
Bevorzugt verwendet man als Plasma bildenden Gasstrom Sauerstoff oder ein Oxidationsgas, das vergleichbare Eisenverbrennungseigenschaften aufweist.
Eine Membrane oder Blasdüse, die energetisch abgekühlt wird und eine Öffnung zum Durchgang und zum Ausstoßen des Plasmastroms umfasst, ist auf dem Weg des Plasmalichtbogens zwischen Kathode und Anode angeordnet, um die Leistungsdichte, die auf das zu erhitzende/auszuschneidende Stück ausgeübt wird, über eine Einschnürung des Plasmalichtbogens durch die Öffnung hindurch zu steigern.
Die Leistung des Plasmalichtbogens wird derart eingestellt, dass das zu erhitzende/schneidende Material örtlich und schnell auf eine dem Schmelzpunkt nahe Temperatur gebracht wird, d. h. auf ungefähr 1300°C, ohne dabei durch das Auftreffen eines Plasmastrahls, der zu energetisch wäre, durchgreifend einzuschmelzen.
Wenn die Temperatur des Eisenmaterials anschließend örtlich eine dem Materialschmelzpunkt nahe Temperatur erreicht, wird ein Sauerstoffstrahl auf die derart vorgeheizte Zone geschickt, um die Sauerstoffverbrennungsreaktion des Eisens auszulösen.
Wie bei einem herkömmlichen Brennschneidverfahren erzeugt diese sehr exotherme Eisenverbrennungsreaktion dann ein Verschmelzen und ein allmähliches Verbrennen des Materials über seine gesamte Dicke, wobei sich durch das Ausstoßen des schmelzflüssigen Materials unter Einwirkung der Luftbewegung, die durch die kinetische Energie des unter Druck stehenden Sauerstoffstrahls erzeugt wird, und zwar auf einem bestimmten Schneidweg, welcher der Verschiebung des Brennschneidbrenners entspricht, bevorzugt bei gleichmäßiger und geeigneter Geschwindigkeit, eine Schnittfuge bildet.
Es ist sofort verständlich, dass mit einem Heizmittel, dessen Temperatur 20000 K im Innern des Plasmastrahls erreichen kann und dessen Leistungsdichte bei etwa 300 kW/cm² liegt, die zum Anheben der Temperatur von der Umgebungstemperatur bis auf ungefähr 1300°C benötige Zeit viel kürzer ist als bei einer Sauerstoff verbrennenden Flamme, deren Flammentemperatur nur etwa 3275 K (wie etwa bei einer Sauerstoff-Azetylen-Flamme) und deren Leistungsdichte beim Auftreffen auf das Stück nur etwa 2 kW/cm² beträgt.
Somit beträgt die vor dem Zünden benötigte Aufheizzeit von 5 bis 20 Sekunden mit einer Sauerstoff verbrennenden Flamme, während sie auf etwa 1/10-Sekunde reduziert wird, wenn ein erfindungsgemäßes Vorheizen mit Plasmalichtbogen eingesetzt wird.
Unter optimalen betrieblichen Bedingungen des Plasmavorheizstrahls wird diese Heizzeit sehr wenig durch Masse, Sorte und Oberflächenbeschaffenheit des zu erhitzenden und auszuschneidenden Eisenmaterials beeinflusst, wodurch eine relativ einfache automatische Handhabung aller zu dem endgültigen Ausschneiden der Stücke führenden Arbeitsphasen möglich ist.
Die Leistung des Plasmastrahls kann auch je nach Arbeitsphase moduliert werden, z. B. kann die Stärke in der Heiz- und Zündphase höher als in der Schneidphase sein.
Um diese Leistung zu ändern, braucht man nur die Stromquelle, die den Brenner versorgt, z. B. mittels eines Mikroprozessors zu steuern, damit die in dem Plasmalichtbogen abgegebene Stromstärke je nach den Bedürfnissen der laufenden Zyklusphase angepasst wird.
Ebenso kann man auch den Druck und/oder den Durchsatz des Plasma bildenden Gases in eben diesen Phasen anpassen.
Alle diese parametrischen Justierungen können vorprogrammiert werden, insbesondere bei der Ausarbeitung des Schneidprogramms, das die Werkstückgeometrien, die Zünd- und/oder Löschstellen oder -punkte des Verfahrens, die Schnittgeschwindigkeiten, usw. umfasst.
Diese Vorprogrammierung kann direkt von einer numerischen Steuerung (CNC) aus, die zum Steuern der Schneidmaschine geeignet ist, oder durch ein beliebiges anderes Programmiermittel außerhalb der Fertigungsstraße erfolgen.
Vergleichsbeispiel
Dieses Vergleichsbeispiel ermöglicht es, die Steigerung der Leistungsfähigkeit zu veranschaulichen, zu der das erfindungsgemäße Brennschneidverfahren mit Plasmastrahlvorheizen im Verhältnis zu einem herkömmlichen Brennschneidverfahren ohne Plasmastrahlvorheizen führen kann.
Ein identisches Teststück wird aus einem 20 mm dicken Baustahl Typ E24 unter Einsatz eines jeden der oben genannten Verfahren ausgeschnitten.
Jedes Mal besteht der Schneidvorgang darin, aus diesem Teststück heraus 25 Scheiben mit einem Durchmesser von 20 mm und einen Umfang von etwa 1,5 Metern um diese 25 Scheiben herum auszuschneiden.
Mit anderen Worten besteht der Schneidvorgang darin, folgendes auszuschneiden:

– 25 Scheiben: also 25 Zündungen und eine Schnittlänge von ungefähr 25 × 0,063 m, und
– 1 Umfang des Teststücks: also 1 Zündung und eine Schnittlänge von ungefähr 1,5 m.

Der Schneidvorgang umfasst also insgesamt: 26 Zündungen und eine Schnittlänge von ungefähr 3 m.
Um den Vergleich zu erleichtern, ist es zugelassen, dass die Schnittgeschwindigkeit bei den Einsatzversuchen eines herkömmlichen Brennschneidverfahrens und bei den Einsatzversuchen eines erfindungsgemäßen Plasmabrennschneidverfahrens gleich ist: in beiden Fällen beträgt die Schnittgeschwindigkeit 0,60 m·min^–1.
Es ist jedoch hervorzuheben, dass beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Plasmabrennschneidverfahrens das Erhitzen des Schneidsauerstoffstrahls in der Nähe des Plasmastrahls unter Umständen höhere Schnittgeschwindigkeiten als bei dem herkömmlichen Brennschneiden, d. h. bei einer Sauerstoff verbrennenden Flamme, ermöglichen kann.
Ein anderer Faktor, der die Schnittgeschwindigkeit steigern kann, ergibt sich zudem aus der Hitzekonzentration, wenn der Plasmastrahl auf das Stück trifft, was die seitliche Ausbreitung der Eisenverbrennungszone begrenzt und engere Fugenbreiten ergibt als bei dem herkömmlichen Flammenbrennschneiden.
Im Rahmen der hier ausgeführten Versuche ist außerdem die Gesamtdauer des Schneidens, ohne Übergangsdauer von einem Schnitt zum anderen, für die beiden getesteten Verfahrensarten gleich, nämlich 5 Min. 13 Sek.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle angegeben.
Tabelle
Angesichts der vorhergehenden Tabelle ist festzustellen, dass es das erfindungsgemäße Brennschneidverfahren mit Plasmavorheizen ermöglicht, gegenüber einem Brennschneidverfahren nach dem Stand der Technik eine Zeitersparnis von ungefähr 5 Min. 21 Sek. zu erzielen.
Mit anderen Worten ermöglicht es ein erfindungsgemäßes Plasmabrennschneidverfahren, in der gleichen Zeit doppelt so viele Metallstücke wie bei einem herkömmlichen Brennschneidverfahren zu schneiden.
Die Erfindung soll nun anhand von in den beiliegenden Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen, die nur beispielhaft und nicht einschränkend angegeben werden, ausführlicher beschrieben werden.
1a stellt ein Schema einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage von der Art mit zusammenlaufenden Strahlen dar.
Genauer gesagt ist laut 1a ein Brenner 1 zum Vorheizen durch Plasmastrahl ersichtlich, der eine Elektrode 2 und eine Blasdüse 3 umfasst.
Die im Allgemeinen rotationsförmige Elektrode 2 ist aus Kupfer oder Kupferlegierung gefertigt und ist an ihrem unteren Ende mit einem Strahlelement 2a ausgestattet, das z. B. aus Hafnium oder Hafniumlegierung gefertigt ist.
Zudem ist die ebenfalls im Allgemeinen rotationsförmige Blasdüse 3 aus Kupfer oder Kupferlegierung gefertigt und mit einer kalibrierten Öffnung 6a zum Ausstoßen des Plasmastroms ausgestattet.
Die Achse der Öffnung 3a ist zu der Elektrodenachse 2 und dem Strahleinsatz 2a koaxial.
Außerdem kann die Öffnung 3a Profileinrichtungen umfassen, insbesondere eine Struktur von zusammenlaufender/auseinander gehender Art oder mit kalibriertem Düseneinsatz.
Ein kreisförmiger Abschnitt 1a, der einerseits von der Außenwand der Elektrode 2 und andererseits von der Innenwand der Blasdüse 3 begrenzt ist, bildet einen Durchgang für das Einblasen eines so genannten Plasma bildenden Gases, das aus Oxidationsgasen gewählt wird, bevorzugt Sauerstoff.
Zwischen dem unteren Ende der Elektrode 2, die den Strahleinsatz 2a trägt, und dem Boden der Blasdüse 3 ist ein Zwischenraum eingerichtet, damit der Gasstrom abfließen und durch die Öffnung 3a der Blasdüse 3 austreten kann.
Außerdem ist eine Gleichstromquelle 4, wie etwa ein Stromerzeuger, einerseits über seinen Minuspol (–) und mittels eines Stromkabels 4a an die Elektrode 2, welche die Kathode in dem Brenner 1 bildet, und andererseits über seinen Pluspol (+) und mittels eines Stromkabels 4b an das zu erhitzende und auszuschneidende Metallstück 5, das die Anode bildet, angeschlossen.
Eine Nebenstromverbindung wird zwischen der Leitung 4b und der Blasdüse 3 über ein Stromkontaktmittel 4c, z. B. einen elektrischen Schalter, hergestellt.
In einer Übergangszündphase des Plasmabrenners 1 ist der Kontakt 4c geschlossen, wodurch die Blasdüse 3 an das positive Potential der Quelle 4 gelegt wird und somit die Zündung eines ersten Lichtbogens, dem so genannten Pilotlichtbogen, zwischen der Elektrode 2, 2a und der Blasdüse 3 ermöglicht.
Herkömmliche Mittel zur Einleitung eines Pilotlichtbogens, wie etwa eine Hochfrequenz-Hilfsquelle oder eine Vorrichtung, um die Elektrode 2 und die Blasdüse 3 (in 1a nicht dargestellt) zeitweilig kurzzuschließen, werden verwendet, um diesen Pilotlichtbogen einzuleiten.
Um den Kanal der Öffnung 3a der Blasdüse 3 nicht zu beschädigen, wird ein Nicht-Oxidationsgas, wie etwa Argon, bevorzugt eingeblasen und läuft während der Zündphase des Brenners 1 in dem Zwischenraum 1a um, d. h. solange der Lichtbogen nicht tatsächlich auf das Metallstück 5 übertragen wurde.
Der Plasmabrenner 1 mit der Achse (Zt-Zt) ist im Verhältnis zu der oberen Ebene des Werkstücks 5 derart schräg angeordnet, dass die aus der Öffnung 3a kommende Achse des Plasmastrahls 7 in einem Punkt oder einer Zone der oberen Ebene des Werkstücks 5 zusammenläuft, wobei die Achse (Zb-Zb) einer Düse 6 in der Nähe und in einer zu der oberen Ebene des Werkstücks 5 rechtwinkligen Richtung angeordnet ist.
Die Achsen (Zt-Zt) und (Zb-Zb) können vorteilhaft jeweils motorisiert und von Abtastungssystemen geregelt sein, die es ermöglichen, den Brenner 1 und die Düse 6 in im Wesentlichen konstanten jeweiligen Abständen zu der oberen Ebene des Stücks 5 zu halten.
Die Düse 6, die aus einem metallischen und/oder nicht metallischen Material, wie etwa Keramik, gefertigt sein kann, umfasst an ihrem oberen Ende eine erste Öffnung 6a zur Versorgung mit Oxidationsgas, bevorzugt Sauerstoff, die in koaxialer Verbindung mit einer zweiten kalibrierten Öffnung 6b steht, die einen kleineren Durchmesser als die erste Öffnung aufweist und in das untere Ende der Düse 6 einmündet.
Außerdem kann die Öffnung 6b ebenfalls Profileinrichtungen umfassen, insbesondere eine Struktur von zusammenlaufender/auseinander gehender Art oder mit kalibriertem Düseneinsatz.
Der Plasmabrenner 1 und die Sauerstoffdüse 6 können zwei voneinander unabhängige Baugruppen oder in ein und derselben Einheit durch mechanische Montage zusammengefasst sein. Der Betrieb der Anlage aus 1a ist vollständig automatisierbar.
Eine derartige automatisierte Anlage umfasst dann eine Brenner-/Düseneinheit, bei welcher der Plasmabrenner 1 zum Vorheizen des Materials gedacht ist und die Düse 6, die den Schneidkopf bildet, zum Schneiden des Materials gedacht ist.
Außerdem umfasst eine automatisierte Anlage noch:

– mindestens eine Achse, die mit mindestens einem (nicht dargestellten) Stellglied zum Verschieben der Brenner-/Düseneinheit und von Anschlussorganen in den Richtungen X und/oder Y versehen ist, so dass man einen vorprogrammierten Schneidweg beschreiben kann;
– eine Achse, die mit einem Verschiebungsstellglied versehen ist, welche die Brenner-/Düseneinheit trägt, mit senkrechtem Spielraum entlang der Achse (Zb-Zb), um den Abstand justieren zu können, der die Brenner-/Düseneinheit von der oberen Fläche des zu erhitzenden und zu schneidenden Stücks 5 trennt, so dass der Brennpunkt der aus der Düse 6 und dem Brenner 1 kommenden Gasstrahlen sich ständig in einer Ebene bewegt, die im Wesentlichen in die Ebene übergeht, die von der oberen Fläche des zu erhitzenden und zu schneidenden Stücks gebildet wird;
– eine Achse, die mit einem Verschiebungsstellglied versehen ist, die den Brenner 1 trägt, mit einem entlang der Achse (Zt-Zt) schrägen Spielraum, um die Länge des Plasmastrahls 7 der Endseite der Blasdüse 3 in dem Brennpunkt der aus der Düse 6 und dem Brenner 1 kommenden Strahlen zu justieren;
– eine (nicht dargestellte) Steuereinheit, die Mittel zum Programmieren der stellungs- und geschwindigkeitsmäßigen Achsenverschiebungen, der Zünd- und Löschpunkte des Schneidverfahrens, z. B. eine numerische Steuerung umfasst; und Mittel zur automatischen Handhabung der Betriebsfolgen der Brenner-/Düseneinheit, Organe zum Abtrennen der Flüssigkeiten und zum Steuern der Stromquelle, verschiedene Verzögerer, usw..

Die Zündung des Plasmabrenners aus 1a wird folgendermaßen vorgenommen.
Die Stromquelle 4 wird eingeschaltet, der Kontakt 4c wird geschlossen, und ein Plasma bildendes Gas, wie etwa Argon, wird unter geeignetem Druck in den Zwischenraum 1a in dem Brenner 1 eingeblasen. Eine (nicht dargestellte) Hochspannungs-/Hochfrequenz-Hilfsquelle wird dann aktiviert, was das Auflodern eines Funkens zwischen dem Ende der Elektrode 2, 2a und dem Boden der Blasdüse 3 bewirkt.
Alternativ ist es auch möglich, eine elektrische Kontaktierung der Elektrode und der Blasdüse, d. h. eine Kurzschlussbildung, durch eine relative Näherungsbewegung dieser Elemente zueinander und daraufhin ihre Trennung durch eine Bewegung in entgegen gesetzter Richtung auszuführen. Wenn der Kurzschluss unterbrochen wird, lodert ein Funke zwischen dem Ende der Elektrode 2, 2a und dem Boden der Blasdüse 3 auf.
Auf jeden Fall ruft der von dem so erhaltenen Funken erstellte Strompfad eine teilweise und örtliche Ionisation des Gases zwischen der Elektrode 2 und der Blasdüse 3 hervor, was einen Stromdurchgang und die Bildung eines Lichtbogens ermöglicht, dessen Kathoden- und Anodenfüße sich unter dem dynamischen Druck des Plasma bildenden Gasdurchsatzes schnell festlegen, und zwar ersterer im Mittelpunkt des Endes des Strahleinsatzes 2a und letzterer in einem Punkt der Seitenfläche der Öffnung 3a der Düse 3.
Ein Plasmalichtbogen, der so genannte Pilotlichtbogen, wird dann beständig geschlagen, indem er einen dünnen, teilweise ionisierten Hochtemperatur-Gasstrahl bildet, der sich außerhalb der Öffnung 3a der Blasdüse 3, d. h. in Richtung auf das Metallstück 5, verlängert.
Daraufhin ist dann eine Übertragung des Lichtbogens auf das Metallstück 5 und der Beginn des örtlichen Erhitzens dieses Stückes 5 zu beobachten.
Wenn der Brenner 1 jedoch nicht bereitgelegt ist, bewegt er sich dann entlang der Achse (Zt-Zt) in Richtung auf das Metallstück 5, bis ein ausreichend ionisiertes Gebiet der Pilotlichtbogensäule die obere Fläche des Stücks 5 berührt und ein elektrischer Strom zwischen der Elektrode 2, 2a und dem Stück 5 fließt.
Ein Detektor 13 von der Art mit Stromrelais, der auf der Nebenleitung 4b angeordnet ist, die den Pluspol (+) der Stromquelle 4 und das Stück 5 verbindet, schickt ein Signal, dass den Durchgang eines elektrischen Stroms in Richtung auf das Stellglied der Achse (Zt-Zt) zur Verschiebung des Brenners 1, der Stromquelle 4, der elektrischen Hilfsmittel der Stromquelle 4 und der verschiedenen Organe zur Handhabung der Gase, die den Brenner 1 versorgen, bezeugt, und es geschieht folgendes:

– Die Verschiebung des Brenners 1 auf das Stück 5 zu wird angehalten.
– Der Kontakt 4c wird geöffnet.
– Das Plasma bildende Gas wird gewechselt, um von dem Pilotgas, z. B. Argon, auf das Heizgas, d. h. das Oxidationsgas, überzugehen.
– Die Stromstärke wird bis auf einen vorherbestimmten Wert gesteigert, der den von der Bedienungsperson des Stücks 5 vorgegebenen Heizbedingungen entspricht.
– Das Stück 5 wird bis zu der Erhöhung der Temperatur in dem Einwirkungsbereich 8 des Plasmalichtbogens 7 auf das Stück 5 bis auf einen Wert erhitzt, der im Wesentlichen 1300°C beträgt. Die Anheizzeit (von etwa einigen Zehntelsekunden) wird im Verhältnis zu der in dem Plasmalichtbogen abgegebenen Stromstärke und gegebenenfalls der Masse des Stücks 5 vorprogrammiert.

Anschließend wird eine Zündung der Verbrennungsreaktion des das zu schneidende Stück 5 bildenden Eisens und eine Durchbohrung dieses Stücks 5, wie schematisch in 1b gezeigt, vorgenommen.
Nach Ablauf der vorprogrammierten Anheizzeit wird dazu der Heizplasmalichtbogen 7 aufrechterhalten, es wird (bei 213) ein Befehl an ein Trennorgan 14 geschickt, z. B. ein Magnetventil, das auf der Leitung zur Versorgung der Düse 6 mit Schneidsauerstoff angeordnet ist, um seine Öffnung nach einem AN/AUS- oder allmählichen Öffnungsverhalten zu steuern.
Ein Sauerstoffdurchsatz 19 wird dann auf den Eingang 6a der Düse 6 hin kanalisiert, wodurch ein Strahl oder Strom 9a von unter Druck stehendem Sauerstoff gebildet wird, der aus der kalibrierten Öffnung 6b der Düse 6 austritt.
Der Sauerstoffstrahl 9a trifft auf die Zone 8, die auf eine Temperatur von ungefähr 1300°C vorgeheizt ist, und löst dann eine Oxidierungsreaktion aus, die zu der Verbrennung des in diesem Bereich 8 des Stücks 5 enthaltenen Eisens führt.
Da die Verbrennungsreaktion stark exotherm ist, verbreitet sie sich nach und nach durch Verbrennen/Verschmelzen des Materials über die gesamte Dicke des Stücks 5, bis der Sauerstoffstrahl 9a in die untere Seite des Stücks 5 einmündet und frei durch den so gebohrten Durchgang 10 geliefert wird, der im Allgemeinen ungefähr zylinderförmig ist.
Die Durchbohrungszeit ist ein vorprogrammierter Parameter, der insbesondere die Dicke des Stücks 5 und den Durchsatz des Sauerstoffstrahls 9a berücksichtigt.
Nach Ablauf der vorprogrammierten Durchbohrungszeit wird von der Steuereinheit ein Befehl an die Stellglieder der X- und/oder Y-Achse abgegeben, um einen vorprogrammierten Schneidweg auszuführen.
Die Oxidierungsreaktion verbreitet sich also radial über die gesamte Dicke des Stücks im Verhältnis zu dem Sauerstoffstrahl und bildet eine Fugenfront, die im Wesentlichen halbzylinderförmig ist.
Die Verschiebungsgeschwindigkeit der Brenner-/Düseneinheit wird während der Schneidzeit im Wesentlichen konstant gehalten und derart gewählt, dass sich zwischen der Erzeugung des verschmolzenen Materials und seinem Ausstoßen aus der Schnittfuge auf der Seite der unteren Fläche des Stücks unter Einwirkung des Schneidgasdrucks ein ständiges Gleichgewicht ergibt.
Wenn die Brenner-/Düseneinheit in Gang gesetzt wird, wird ein Abtastsystem eingesetzt, das die Aufrechterhaltung des Brennpunktes der Sauerstoff- 9a und Plasma- 7 Strahlen in der oberen Ebene des soeben geschnittenen Stücks 5 gewährleistet.
In einem im Wesentlichen identischen Zeitraum kann ein Befehl an die Stromquelle 4 abgegeben werden, um die Stromstärke in dem Plasmalichtbogen zu senken und sie auf einen Mindestwert zu bringen, der ausreicht, um die Oxidierungsreaktion in der Schnittfuge beizubehalten.
Wenn das Ausschneiden des Stückes beendet ist, d. h. wenn die Ausführung des Programms beendet ist, gibt die Steuereinheit gleichzeitig einen Befehl zur Unterbrechung der Bewegungen der X- und/oder Y-Achse, einen Befehl an die Stromquelle 4, um den Strom abzuschalten, der den Plasmabrenner 1 versorgt, einen Befehl zum Schließen des Trennorgans 14 des Schneidsauerstoffdurchsatzes, und dann mit oder ohne Verzögerung einen Befehl zum Schließen des Trennorgans des Plasma bildenden Gasdurchsatzes, der den Brenner 1 versorgt, und gegebenenfalls einen Befehl zum Anheben der Brenner-/Düseneinheit durch die motorisierte Achse nach (Zt-Zt) ab.
Dann erhält man ein Erlöschen des Brenners und somit eine Unterbrechung des Schneidens.
Je nach Bedarf kann eine Schneidfolge ausgeführt werden, indem man nacheinander über ein Programm oder einen manuellen Befehl die Brenner-/Düseneinheit auf einen oder mehrere neue Ausgangspunkte eines oder mehrerer auszuschneidender Stücke anordnet und für jedes dieser Stücke den Rest der vorstehend beschriebenen Folgen ausführt.
2 stellt ein Schema einer Anlage von der Art mit koaxialen Strahlen dar, die nicht von den Ansprüchen 9 und 10 abgedeckt ist.
Da die Betriebsart der Anlage aus 2 ganz ähnlich wie die der Anlage aus 1a und 1b ist, wird diese nachstehend nicht noch einmal ausführlich beschrieben.
Wie jedoch in 2 ersichtlich, besteht ein wesentlicher Unterschied in der Nicht-Konvergenz der Plasma- 27 und Gas- 29a Strahlen.
Eine erfindungsgemäße Anlage von der Art mit koaxialen Strahlen ist nämlich durch eine Koaxialität der Strahlen 27 und 29a gekennzeichnet und somit dadurch, dass der Brennpunkt nicht im Verhältnis zu der oberen Ebene des zu schneidenden Stücks 5 anzuordnen ist.
Folglich ist eine einzige Achse mit senkrechtem Spielraum, die mit einem Stellglied zum Verschieben der Brennersysteme 21 und 31 versehen ist, notwendig, um diese auf einen zweckmäßigen Abstand zu bringen, um die Übertragung des Plasmalichtbogens auf das auszuschneidende Stück 5 vorzunehmen und sicherzustellen, dass sie während der Schneidvorgänge durch eine Rückkopplung an ein Abtastsystem in einem im Wesentlichen konstanten Abstand gehalten wird.
Wie in 2 gezeigt, umfasst eine erfindungsgemäße Anlage von der Art mit koaxialen Strahlen einen Brenner 21 mit doppelter Einblasvorrichtung und doppelter Düse, wobei der Brenner 21 folgendes umfasst:

– Eine im Allgemeinen rotationsförmige Elektrode 22, die aus Kupfer oder Kupferlegierung gefertigt ist und an ihrem Ende mit einem Strahlelement 22a versehen ist, das z. B. aus Hafnium oder Hafniumlegierung gefertigt ist.
– Eine erste im Allgemeinen rotationsförmige Düse 16, die aus Kupfer oder Kupferlegierung gefertigt ist und mit einer kalibrierten Öffnung 16a versehen ist, deren Achse mit der Achse der Elektrode 2 und des Strahleinsatzes 2a übereinstimmt. Ein kreisförmiger Abschnitt, der einerseits von der Außenwand der Elektrode 22 und andererseits von der Innenwand der Düse 16 begrenzt ist, bildet einen Durchgang 21a für das Einblasen eines Plasma bildenden Gases, bevorzugt eines Gases, das aus Oxidationsgasen gewählt wird, insbesondere Sauerstoff. Zwischen dem Ende der Elektrode 22 und dem Boden der Düse 16 ist ein Zwischenraum eingerichtet, damit das Gas durch die Öffnung 16a der Düse 16 abfließen kann.
– Eine zweite im Allgemeinen rotationsförmige Düse 11, die aus Kupfer oder Kupferlegierung gefertigt ist und mit einer kalibrierten Öffnung 11a versehen ist, deren Achse mit der Achse der Elektrode 22 und des Strahleinsatzes 22a und mit der Achse der Öffnung 11a der ersten Düse 16 übereinstimmt. Ein kreisförmiger Abschnitt, der einerseits von der Außenwand der ersten Düse 16 und andererseits von der Innenwand der zweiten Düse 11 begrenzt ist, bildet einen Durchgang 29 für das Einblasen eines Schneidgases, bevorzugt Sauerstoff. Zwischen dem Ende der ersten Düse 16 und dem Boden der zweiten Düse 11 ist ein zweiter Zwischenraum eingerichtet, damit das Oxidationsgas durch die Öffnung 11a der Düse 11 abfließen kann. Außerdem können die Öffnungen 16a und 11a, die jeweils zu den Düsen 16 und 11 gehören, wiederum Profileinrichtungen umfassen, insbesondere eine Struktur von zusammenlaufender/auseinander gehender Art oder mit kalibriertem Düseneinsatz.
– Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform ist eine Gleichstromquelle 4 einerseits über ihren Minuspol (–) und mittels eines Stromkabels 4a an die Elektrode 22, welche die Kathode in dem Brenner 21 bildet, und andererseits über ihren Pluspol (+) und mittels eines Stromkabels 4b an das zu erhitzende/auszuschneidende Stück 5, das die Anode bildet, angeschlossen. Eine Nebenstromverbindung wird zwischen dem Kabel 4b und den Düsen 16 und 11 über einen Kontakt 4c hergestellt. Während einer Übergangszündphase des Plasmabrenners 21 ist der Kontakt 4c geschlossen, wodurch die Düsen 16 und 11 an das positive Potential der Quelle 4 gelegt werden und die Zündung eines ersten Lichtbogens, des so genannten Pilotlichtbogens, der zwischen der Elektrode 22, 22a und der Düse 11, oder auch der Düse 16, geschlagen wird, ermöglicht wird. Herkömmliche Mittel, wie etwa eine Hochfrequenz-Nebenquelle oder eine Vorrichtung zum zeitweiligen Kurzschließen der (nicht dargestellten) Elektrode 22 und der Düse 16, werden verwendet, um den Pilotlichtbogen einzuleiten. Um den Kanal 16a der Düse 16 und den Kanal 11a der Düse 11 nicht zu beschädigen, wird bevorzugt ein Nicht-Oxidationsgas, wie etwa Argon, bei 21a während dieser Zündphase des Brenners eingeblasen, solange der Lichtbogen nicht tatsächlich auf das Stück 5 übertragen wurde.

Im Betrieb ist der Plasmalichtbogen-Heizstrahl 27 von einem Schneidsauerstoffstrom 29a umhüllt, der bei seiner Verschiebung entlang eines vorgegebenen Schneidwegs durch Verbrennen/Verschmelzen eine Fuge 10 in dem Werkstück 5 bildet.
Zudem stellt 3 ein Schema einer Anlage von der Art mit doppelter Einblasvorrichtung und Hohlkathode dar, die nicht von den Ansprüchen 9 und 10 abgedeckt ist.
Wie in 3 ersichtlich umfasst der Plasmabrenner 31 nach dieser Ausführungsform:

– Eine im Allgemeinen rotationsförmige Elektrode 32, die aus Kupfer oder Kupferlegierung gefertigt ist und an ihrem Ende mit einem Strahlelement 32a versehen ist, das z. B. aus Hafnium, Hafniumlegierung oder anderen Materialien und Materiallegierungen gefertigt ist, wobei das Strahlelement 32a die Form eines Ringes aufweist, dessen Drehachse in die Achse der Elektrode 32 übergeht. Eine erste Öffnung 32b zur Versorgung mit Schneidgas, bevorzugt Sauerstoff, ist an dem oberen Ende der Elektrode 32 entlang ihrer Drehachse angebracht. Eine zweite kalibrierte Öffnung 32c mit kleinerem Querschnitt ist in dem unteren Teil der Elektrode 32 entlang ihrer Drehachse gebohrt; wobei die Öffnungen 32b und 32c durch eine kegelförmige Bohrung, deren große Basis einen Durchmesser aufweist, der ungefähr dem Durchmesser der Öffnung 32b entspricht, und deren kleine Basis einen Durchmesser aufweist, der ungefähr dem Durchmesser der Öffnung 32c entspricht, in Verbindung gesetzt werden.
– Eine im Allgemeinen rotationsförmige Düse 15, die aus Kupfer oder Kupferlegierung gefertigt ist und mit einer kalibrierten Öffnung 15a versehen ist, deren Achse mit der Achse der Elektrode 32 und des Strahleinsatzes 32a übereinstimmt. Ein kreisförmiger Abschnitt, der einerseits von der Außenwand der Elektrode 32 und andererseits von der Innenwand der Düse 15 begrenzt ist, bildet einen Durchgang 31a für das Einblasen eines Plasma bildenden Gases, das aus Oxidationsgasen gewählt wird, bevorzugt Sauerstoff. Zwischen dem Ende der Elektrode 32 und dem Boden der Düse 15 ist ein Zwischenraum eingerichtet, damit das Gas durch die Öffnung 15a der Düse 15 abfließen kann. Außerdem können die Öffnungen 32c und 15a, die jeweils zu der Elektrode 32 und der Düse 15 gehören, wiederum Profileinrichtungen umfassen, insbesondere eine Struktur von zusammenlaufender/auseinander gehender Art oder mit kalibriertem Düseneinsatz.
– Eine Gleichstromquelle 4 ist einerseits über ihren Minuspol (–) und mittels eines Stromkabels 4a an die Elektrode 32, welche die Kathode in dem Brenner 31 bildet, und andererseits über ihren Pluspol (+) und mittels eines Stromkabels 4b an das zu erhitzende/auszuschneidende Stück 5, das die Anode bildet, angeschlossen. Eine Nebenstromverbindung wird zwischen der Leitung 4b und der Düse 15 über einen Kontakt 4c hergestellt. Während einer Übergangszündphase des Plasmabrenners 31 ist der Kontakt 4c geschlossen, wodurch die Düse 15 an das positive Potential der Quelle 4 gelegt wird und somit die Zündung eines Pilotlichtbogens zwischen der Elektrode 32, 32a und der Düse 15 ermöglicht wird. Wie zuvor werden herkömmliche Mittel verwendet, um diesen Pilotlichtbogen einzuleiten.

Ebenso wird, um den Kanal 15a der Düse 15 nicht zu beschädigen, bevorzugt ein Nicht-Oxidationsgas, wie etwa Argon, während dieser Zündphase des Brenners eingeblasen, und zwar solange der Lichtbogen nicht tatsächlich auf das Stück 5 übertragen wurde.
Dabei ist der Schneidsauerstoffstrom 39a im Betrieb von dem Plasmastrahl 37 umhüllt und bildet entlang eines gewünschten Weges durch Verbrennen/Verschmelzen eine Fuge 10 in dem Werkstück 5.
Natürlich umfassen die Brenner 1, 21 und 31 und gegebenenfalls die Düse 6, die zuvor beschrieben und in 1a, 1b, 2 und 3 gezeigt wurden, interne, hier nicht dargestellte Einrichtungen, die das Umlaufen einer Kühlflüssigkeit, wie etwa demineralisierten Wassers, ermöglichen, um insbesondere die Elektroden und die Düsen durch erzwungene Konvektion, d. h. durch Wärmeaustausch, wirksam abzukühlen.
Eine erfindungsgemäße Anlage ist anwendbar auf die Ausführung geradliniger oder schwieriger geformten Schnitte aus flachen Blechen oder von Körpern, insbesondere Körpern, die aus aneinander geschweißten Flachblechen oder aus durch Verformung geformten Blechen ausgebildet sind, die durch ihre chemische Zusammensetzung Baustählen gleich kommen.
Von Fall zu Fall kann die erfindungsgemäße Schneidanlage von der Art X-Y, von der Art X-Y-Z oder ein Automat sein.
Die Schneidanlage kann jedoch auch von manueller Art sein, d. h. die Bedienungsperson hält dabei den Brenner in der Hand.
Eine derartige Anlage ist verwendbar, um geradkantige oder abgefaste Schnitte vorzunehmen, insbesondere für die Ausbildung von Einzelteilen mechanischer oder mechanisch geschweißter Baugruppen.
Außerdem ist hervorzuheben, dass obwohl vorstehend das erfindungsgemäße Brennschneidverfahren mit einem Brenner mit Plasmalichtbogen als ein Verfahren zum Ausschneiden von Baustählen mit einer größeren Leistungsfähigkeit als das Brennschneiden mit herkömmlichem Erhitzen durch Sauerstoff-Brennstoff beschrieben wurde, man auch dieses auf den gleichen Anwendungsgebieten als ein Verfahren zum Sauerstoff- Plasmaschneiden mit geringer elektrischer Energie ansehen kann.
Bei einem herkömmlichen Sauerstoff-Plasma-Schneidverfahren, das hauptsächlich durch Verschmelzen des Materials über seine gesamte Dicke durch die Wärmewirkung des Plasmalichtbogens und das Ausstoßen des verschmolzenen Metalls durch den kinetischen Effekt des Strahls aus Plasma bildendem Gas wirkt, kommt die Hauptwärmequelle aus dem Elektronenstrom, der an der Anode, also dem zu schneidenden Stück, verteilt wird.
Mit anderen Worten ist es hauptsächlich die Stromstärke in dem Plasmalichtbogen, welche die Schneidkapazität bestimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennschneidverfahren mit Plasmalichtbogen dient der Plasmalichtbogen nur zum oberflächlichen Erhitzen des auszuschneidenden Stücks während der Zündfolge vor der Verbrennungsreaktion des Eisens unter Einwirkung des Schneidsauerstoffstrahls, und dann als Nebenwärmequelle, um diese Reaktion während der gesamten Dauer des Schneidverfahrens zu erhalten, wobei die Hauptwärmequelle durch die exotherme Reaktion der Eisenoxidierung erzeugt wird.
Exemplarisch aber nicht einschränkend liegt die Stärke (in Ampere) des Lichtbogenstroms, die für das Schneiden eines 12 mm dicken Stahlblechs E24 notwendig ist, bei 120 A für das Schneiden durch den Strahl eines herkömmlichen Oxidationsplasmas, aber bei nur 30 A für das erfindungsgemäße Plasmabrennschneiden.
Es ist jedoch bekannt, dass bei dem herkömmlichen Sauerstoff-Plasma-Schneidverfahren die Stromstärke des Lichtbogens einer der wichtigen Verschleißfaktoren der Kathoden ist, die im Allgemeinen aus Hafnium gefertigt sind.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik und aus diesen Gründen gehen die industriell eingesetzten Stärken nicht über 250 bis 300 A hinaus, womit man Baustahldicken von ungefähr 30 mm schneiden kann.
Das erfindungsgemäße Plasma-Brennschneidverfahren ermöglicht es also, sehr viel größere Schnittdicken zu erreichen, und zwar ohne dabei die derzeitigen Stromstärkengrenzen zu überschreiten, d. h. unter Einhaltung annehmbarer Kathodenlebensdauern, oder umgekehrt, geringere Dicken mit Lichtbogenstromstärken zu schneiden, die viel geringer sind als diejenigen, die von den herkömmlichen Sauerstoff-Plasma-Brennschneidverfahren benötigt werden, und somit, viel längere Kathodenlebensdauern zu erreichen.

Claims

Verfahren zum Plasmabrennschneiden mindestens eines Metallstücks (5), das mindestens ein Eisenmaterial enthält, insbesondere Eisen, wobei: a) ein örtliches Vorheizen einer Zündzone (8) des zu schneidenden Metallstücks (5) vorgenommen wird, indem die Zündzone (8) mindestens einem Plasmastrahl (7, 27, 37) ausgesetzt wird; b) mindestens ein Teil der Zündzone (8), die mindestens in Schritt a) vorgeheizt wurde, mindestens einem Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) bei einem Druck von mehr als 10⁵ Pa ausgesetzt wird; c) mindestens eine Durchbohrung (10) über die gesamte Dicke des auszuschneidenden Stückes (5) in mindestens einem Teil der Zündzone (8), die mindestens dem Vorheizen durch Plasmastrahl (7, 27, 37) nach Schritt a) ausgesetzt wurde, durch Verschmelzen und/oder durch Verbrennen des Eisenmaterials, das in dem Metallstück (5) enthalten ist, durch eine Reaktion des Eisenmaterials mit dem Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) und/oder dem Plasmastrahl (7, 27, 37) ausgeführt wird; d) der Plasmastrahl (7, 27, 37) und der Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) entlang eines Schneidwegs verschoben werden, um mindestens einen Teil einer Schnittfuge über das Stück (5) durch Verschmelzen und/oder Verbrennen des Eisenmaterials, das in dem Metallstück (5) enthalten ist, mindestens durch eine Reaktion des Eisenmaterials mit mindestens dem Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt c) ausgebildete Durchbohrung (10) durch die Reaktion des Eisenmaterials mit dem mindestens einen Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt c) ausgebildete Durchbohrung (10) durch die Reaktion des Eisenmaterials mit dem Plasmastrahl (7, 27, 37) erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündzone in Schritt a) auf eine Temperatur vorgeheizt wird, die zwischen 1000°C und 1500°C, bevorzugt zwischen 1200°C und 1400°C, weiter bevorzugt zwischen etwa 1300°C und 1350°C, liegt, und/oder dass die Vorheizdauer zwischen 0,001 und 2 Sekunden, bevorzugt zwischen 0,01 und 1,5 Sekunden, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) aus Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltenden gasförmigen Gemisch, insbesondere aus Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft, besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schneidens jeder Teil des Schneidwegs dem Plasmastrahl (7, 27, 37) und dem Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) unterzogen wird, wobei der Großteil der Verschmelzung und/oder der Verbrennung des Materials entlang des Schneidwegs hauptsächlich durch die Reaktion des Eisens mit dem Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) sichergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl (7, 27, 37) und der Oxidationsgasstrom (9a, 29a, 39a) koaxial oder zusammenlaufend abgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittfuge durch eine Verschiebung bei einer ungefähr konstanten Schnittgeschwindigkeit des Plasmastrahls (7, 27, 37) und des Oxidationsgasstroms (9a, 29a, 39a) im Verhältnis zu dem Metallstück (5) ausgebildet wird.
Anlage zum Plasmabrennschneiden, die verwendbar ist, um ein Metallstück (5) auszuschneiden, das mindestens ein Eisenmaterial, insbesondere Eisen, beinhaltet, umfassend: – einen Brenner (1) zum Vorheizen durch einen Plasmastrahl (7) der Achse (Zt-Zt), um mindestens einen Plasmastrahl (7) abzugeben, und eine Düse (6) zum Verteilen eines Gasstroms der Achse (Zb-Zb), um mindestens einen Gasstrom abzugeben; wobei die Achse (Zb-Zb) der Verteilerdüse (6) und die Achse (Zt-Zt) des Vorheizbrenners (1) derart auf einen Brennpunkt ausgerichtet sind, dass die Gasstrahlen aus der Düse (6) und dem Brenner (1) auf den Brennpunkt hin zusammenlaufen, wobei der Brennpunkt sich bevorzugt ungefähr an oder in der Nähe der oberen Fläche des Metallstücks (5) befindet; – Tragrahmenmittel, die den Brenner (1) zum Vorheizen durch den Plasmastrahl und/oder die Verteilerdüse (6) tragen; – Verschiebungsmittel, bevorzugt motorisiert, um den Plasmabrenner (1) und die Verteiler düse (6) im Verhältnis zu mindestens einem auszuschneidenden Metallstück (5) bevorzugt ungefähr synchron zu verschieben; und – Steuermittel, um mindestens die Verschiebungsmittel und/oder mindestens einen Betriebszyklus des Brenners (1) insbesondere durch Programmierung zu steuern; und wobei der Plasmabrenner (1) und die Verteilerdüse (6) jeweils Achsen aufweisen, die ineinander übergehend und nicht zusammenlaufend sind.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner (1) von der Art mit einem oder mehreren Strömen ist.