EP0372500A2

EP0372500A2 - Plasmalichtbogenschweissvorrichtung

Info

Publication number: EP0372500A2
Application number: EP89122434A
Authority: EP
Inventors: George D. Blankenship
Original assignee: Lincoln Electric Co
Current assignee: Lincoln Electric Co
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1990-06-13
Also published as: EP0372500A3; FI895806A0; KR900009206A; KR920004844B1; AU4593889A; PT92492B; AU614449B2; DK612489D0; NO894831L; US4929811A; DK612489A; NO894831D0; PT92492A; JPH03114678A

Abstract

Plasmalichtbogenschweißvorichtung mit einem Überlastungsprüfkreis, der einen Kurzschluß zwischen der Elektrode (20) und der Brennerdüse (30) erfaßt und die Stromzufuhr abschaltet, wenn der Kurzschluß festgestellt wird. In dem Brennerkabel (130) ist ein Sensorkreis (138, 140) vorgesehen, der den Überlastprüfkreis (82) einschaltet, wenn das Kabel (130) ernstlich durchschlagen wird. Zu dem Sensorkreis gehört eine im Kabel (130) eingebettete Abschirmfolie (138), welche den Hauptleiter (132) umschließt und an den ein Erdungsleiter (140) angeschlossen ist. Der Erdungsleiter (140) erfaßt einen Kurzschluß zwischen der Abschirmfolie (138) und dem Hauptleiter (132), der von einem eindringenden Fremdkörper (150) verursacht wird, und er betätigt den Überlastprüfkreis (82). Zusätzlich ist der Überlastprüfkreis (82) in Verbindung mit einem einzigen Durchgangs-Abschaltkreis (121) wirksam, um die Sicherheit des Brenners zu gewährleisten. Ferner ist ein gleichgerichteter Steuerkreis vorgesehen, um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten und eine Erosion der Düse und ein damit verbundenes Freilegen der Elektrode (20) zu verhindern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmalichtbogenschweißvorrichtung und hat mehr im einzelnen Abschalteinrichtungen zum Gegenstand, die der Brennerdüse zugeordnet sind, wie sie bei Plasmalichtbogenschweißvorrichtungen verwendet werden.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei einer Plasmalichtbogenschneidbrennvorrichtung, die zunächst einen Hilfs- oder Zündlichtbogen zwischen der Brennerdüse und der Elektrode erzeugt, und sie wird mit besonderer Bezugnahme hierauf beschrieben. Die Erfindung hat jedoch ein weiteres Anwendungsgebiet und kann auch bei Plasmalichtbogenschneidsystemen verwendet werden, die einen Plasmalichtbogen ohne Zünd- oder Hilfslichtbogen erzeugen.
Bei Brennern der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, wird ein ionisierbares Gas der Brennerdüse im allgemeinen vor einer negativ geladenen Elektrode zugeführt. Ein Hochfrequenzwechselstromsignal mit hoher Spannung wird dem Gleichstromsignal überlagert, was zwischen der Elektrode und der Brennerdüse einen Funken überspringen läßt, der einen Anfangszündlichtbogen erzeugt. Der Zündlichtbogen erhitzt und ionisiert das Gas, das durch die Düse strömt, und erzeugt einen Plasmastrom. Wenn die Düse des Brenners in die Nähe des Werkstückes gebracht wird, welches einen niedrigeren Impedanzgrad hat als die Brennerdüse, springt der Zündlichtbogen von der Düse auf das Werkstück über und erzeugt einen Plasmabogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Der Plasmalichtbogen erlaubt es dem Brenner, seine Funktion richtig zu erfüllen, d.h. entweder zu schneiden, zu schweißen oder Metall abzulagern.
Bei allen Plasmalichtbogenschweißeinrichtungen ist eine Düse vorgesehen, welche die Elektrode, die eine hohe Spannung führt, umschließt und vor gelegentlicher Erdung schützt, um den Strom der ionisierbaren Gase als ein Plasma gegen das Werkstück zu richten und den Plasmastrahl einzuschnüren und ihm eine sehr hohe Plasmatemperatur zu verleihen. Brennerteile, insbesondere die Brennerdüse, verbrauchen sich "etwas" und müssen eventuell ausgetauscht werden. Insbesondere der Zündlichtbogen zwischen der Düse und der Elektrode kann einen Verschleiß der Düse herbeiführen. Am Verschleiß der Düse ist auch die Hitze der ionisierten Gase beteiligt und bis zu einem gewissen Grad erfordert die ungünstige Wirkung der Hitze gelegentlich den Austausch der Elektrode. Demgemäß werden die Düse und die Elektrode gewöhnlich als austauschbare Teile ausgebildet, die in den Brennerkörper eingeschraubt sind, so daß die Düse die Elektrode schützt und umgibt mit Ausnahme einer schmalen Öffnung, durch welche der Plasmastrahl hindurchgeht. Wenn die Teile ausgetauscht werden sollen, müssen sie in der Tat genau zueinander passend wieder zusammengebaut werden, um sicherzustellen, daß die Elektrode einwandfrei geschützt ist, um eine gelegentliche Erdung zu vermeiden, die dann auftreten könnte, wenn der Brenner mangelhaft und ohne die Düse zusammengebaut wurde.
Dieses Problem wurde schon früher erkannt und es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Im US-Patent 4 663 515 von Kneeland et al wird beispielsweise eine Düse vorgeschlagen, welche den Gasdruck ansteigen läßt, wenn sie sich nicht an Ort und Stelle befindet. Der Anstieg des Gasdruckes wird erfühlt und die Stromquelle abgeschaltet. Die US-Patente 4 590 354 und 4 682 005 von Marhic offenbaren Schutzdüsen, welche die Elektrode umgeben und durch den Druck des Plasmagases in den Arbeitskontakt gleiten können. Obgleich solche Vorrichtungen den Brenner abschalten, kann sich in der Praxis in der Zeit, wo der Gasdruck abgefühlt oder aktiviert wird, schon ein Lichtbogen entladen. Außerdem sind Gasdruckfühleinrichtungen teuer.
In dem US-Patent 4 585 921 von Wilkins et al, auf das hiermit Bezug genommen wird, wird ein Schaltkontakt hergestellt, sobald ein die Düse umgebender Konus in Stellung gebracht wird. Solange der Schalter nicht aktiviert ist, ist die Stromquelle abgeschaltet. Bei dieser bekannten Vorrichtung könnte sich jedoch der Konus an Ort und Stelle befinden und die Düse unbeabsichtigt von der Vorrichtung entfernt werden. Der Schalter könnte dann aktiviert werden, weil sich der Konus in Stellung befindet, aber die Elektrode könnte freiliegen. Es besteht deshalb immer noch die Notwendigkeit, jede unbeabsichtigte Lichtbogenentladung bei einem Plasmalichtbogenschweißbrenner zu vermeiden, solange die Teile des Brenners nicht vorschriftsmäßig zusammengebaut sind.
Bei allen Plasmalichtbogenschweißvorrichtungen wird der elektrische Hauptstrom der Elektrode im Brennerkörper durch einen Hauptleiter zugeführt, der sich in einem Kabel befindet, welches sich vom Brennerkörper zur Energiequelle erstreckt. Dieses Kabel kann von irgendeinem aus einer Vielzahl von verschiedenen metallischen Gegenständen durchschlagen oder beschädigt werden, die im Arbeitsbereich einer gewerblichen Betätigung immer vorhanden sind. Solche metallischen Gegenstände können den Hauptleiter berühren und die gleiche Art eines elektrisch gefährlichen Zustandes herbeiführen, der auch bei einer freiliegenden Elektrode vorhanden ist. Die bisherigen Versuche, die sich mit diesen Problemen befaßten, waren darauf gerichtet, ein zähes, dauerhaftes und durch stoßwiderstandsfähiges Kabel zu schaffen. Derartige Kabel verteuern jedoch die Einrichtung und erfordern eine periodische Inspektion und einen gelegentlichen Austausch.
Allen Plasmalichtbogenschweißvorrichtungen, die einen Zündlichtbogen verwenden, ist gemeinsam, daß der Strom im Lichtbogen in dem Augenblick anwächst, in dem der Zündlichtbogen als Plasmalichtbogen von der Düse auf das Werkstück übertragen wird. Bei der Lichtbogenübertragung wechselt der Lichtbogen augenblicklich von der Elektrode auf die Düsenöffnung neben der Elektrode und von der Düsenöffnung auf das Werkstück über. Dieser Doppelbogen zerstört möglicherweise die Düse, was dazu führt. daß sich die Düsenöffnung vergrößert und die Elektrode freigelegt wird. Dieses Problem wurde bereits erkannt und im Stande der Technik wurden verschiedene Stromkreise vorgeschlagen, bei denen der elektrische Strom im Lichtbogen im Moment des Überganges verringert wird. Ein Beispiel eines solchen Stromkreises wird in dem US-Patent 3 745 321 von Shapiro et al gezeigt, auf das hiermit Bezug genommen wird. Obgleich derartige Stromkreise auf das Problem etwas leicht reagieren, haben sie doch entweder Stabilitätsprobleme oder es sind Nachteile im Energiewirkungsgrad hiermit verbunden.
Die Anmelderin hat bei ihren Stromquellen zum Lichtbogenschweißen, jedoch nicht bei Plasmalichtbogenschweißvorrichtungen als solchen, einen Überlastprüfkreis verwendet, der einen Kurzschluß zwischen der Elektrode und der Düse erfaßt und in Abhängigkeit von einer abgetasteten Spannung, die einen vorherbestimmten Wert überschreitet, die Stromquelle abschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Plasmalichtbogenschweißvorrichtung zu schaffen, bei der die Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit der Plasmalichtbogenschweißung verbessert wird und die über eine Stromunterbrechungs- und/oder Abschaltvorrichtung verfügt, welche den Betrieb des Brenners verbessert.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.
Hierbei wird nach der Erfindung eine Plasmalichtbogenschweißvorrichtung eingesetzt, die zum Durchführen von verschiedenen Schweißprozessen auf einem Werkstück geeignet ist und zu der in an sich bekannter Weise eine elektrische Stromquelle, eine Vorratsquelle für Gas zum Erzeugen eines Plasmas und ein Brennerkörper gehören, der eine Elektrode und eine Düsenvorrichtung aufweist, welche die Elektrode mit einem vorbestimmten Abstand hierzu umgibt. Ein konventioneller Überlastungsprüfkreis ist vorgesehen, der einen Kurzschluß zwischen der Düseneinrichtung und der Elektrode erfaßt und die elektrische Stromquelle abschaltet, wenn ein Kurzschluß festgestellt wird. In einem Kabel, das mit seinem einen Ende an dem Brennerkörper und mit seinem gegenüberliegenden Ende an die elektrische Stromquelle angeschlossen ist, ist ein elektrischer Hauptleiter angeordnet, der den elektrischen Strom von der Stromquelle der Elektrode im Brennerkörper zuführt. Eine Sensorvorrichtung im Kabel erfaßt ein Durchschlagen oder einen Bruch im Kabel, der schwer genug ist, um einen Berührungskontakt mit dem Hauptleiter herbeizuführen, und der aufgrund dieses Kontaktes den Überlastprüfkreis betätigt, um die elektrische Stromquelle abzuschalten.
Mehr im einzelnen gehört zu dem Überlastungsdetektorkreis ein Zündlichtbogenleiter, dessen eines Ende an die Düseneinrichtung und dessen anderes Ende an das Erdpotential (Werkstückleitung) angeschlossen ist. Wenn die elektrische Stromquelle aktiviert wird, wird zwischen der Elektrode und der Düseneinrichtung ein Zündlichtbogen erzeugt und die zwischen dem Zündlichtbogenleiter und der Erdung auftretende Spannung wird durch den Überlastungsdetektorkreis gemessen. Der Überlastprüfkreis schaltet die elektrische Stromquelle ab, wenn die Spannung einen vorherbestimmten Wert überschreitet. Der Sensor- oder Fühlkreis hat eine durchgehende, elektrisch leitende Abschirmung, die in das Kabel eingebettet ist und den Hauptleiter umgibt und sich über die gesamte Länge des Kabels erstreckt. An der Abschirmfolie ist ein nackter Draht oder eine Erdungsleitung befestigt, die an den Zündlichtbogenleiter angeschlossen ist. Wenn ein elektrisch leitender Gegenstand die Abschirmfolie durchschlägt und mit dem Hauptleiter in Kontakt kommt, wird ein Kurzschluß erzeugt, der von dem Überlastprüfkreis erfaßt wird, welcher die elektrische Stromquelle abschaltet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung hat die Düseneinrichtung eine im wesentlichen zylindrische Düsenhülse, die ständig im Brennerkörper eingebettet ist, und eine austauschbare, napfförmige Düsenspitze, die fest in die Düsenhülse eingeschraubt werden kann. Der Zündlichtbogenleiter ist an die Düsenhülse angeschlossen. Im Brennerkörper ist ein elektrisch isolierter Federdrahtschleppkontakt eingebettet und ein an eine elektrische Stromquelle angeschlossener Durchgangsprüfungsleiter ist mit dem Schleppkontakt verbunden. Wenn die Düsenspitze in der Düsenhülse richtig befestigt ist, wird zwischen der Durchgangsprüfungsleitung und dem Zündlichtbogenleiter eine elektrische Verbindung hergestellt und ein Stromkreis zum Messen eines elektrischen Durchganges zwischen diesen Teilen hergestellt, derart, daß bei einer Stromunterbrechung die elektrische Stromquelle abgeschaltet wird. In Verbindung mit dem Überlastprüfkreis gewährleistet der Durchgangsprüfkreis einen jederzeit sicheren Schweißbrenner.
Die schalenförmige Düsenspitze umgibt und schützt die Elektrode vollständig und befindet sich immer auf einem verhältnismäßig niedrigen Potential, wie dies weiter oben beschrieben wurde, so daß der Brenner verhältnismäßig sicher ist, solange sich die schalenförmige Düsenspitze in Stellung befindet. Sollte die Elektrode beschädigt werden oder gegenüber der schalenförmigen Düsenspitze falsch eingeführt werden oder sollte ein Fremdkörper seinen Weg zur Elektrode gefunden haben, so daß ein Kontakt mit der napfförmigen Düsenspitze hergestellt wurde, wird der Überlastdetektorkreis betätigt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erzeugt die elektrische Stromquelle durch eine Thyristor-Brücke mehrere elektrische Gleichstromimpulse, die der Elektrode zugeführt werden und einen Zündlichtbogen erzeugen, wenn der Zündlichtbogenschalter mit der Erdung verbunden ist. Die Amplitude eines jeden Stromimpulses wird abgetastet und der Ausgangskreis, der die elektrischen Gleichspannungsimpulse erzeugt, wird durch einen Schaltkreis (triggering circuit) in Phase zurückgebracht (phased back) oder verzögert, wenn ein vorherbestimmter Strompegel überschritten wird. In der Praxis übersteigt die Amplitude des letzten Impulses im Zündlichtbogen den vorherbestimmten Strompegel, wodurch der Schaltkreis betätigt wird, um den Phasenwinkel und infolgedessen auch den Strom zu verändern, sobald der Zündlichtbogen in den Plasmalichtbogen übergeht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Kondensatorkreis vorgesehen, der den Plasmalichtbogen aufrechterhält, wenn der Ausgangskreis in Phase zurückgesetzt wird, um jede Pendelneigung des Ausgangskreises zu reduzieren. Der Kondensatorkreis wird auf ähnliche Weise betätigt, wenn der Schaltkreis beim Zünden des Pilotlichtbogens in Phase nach vorn gebracht, d.h. beschleunigt wird.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß bei einem Plasmalichtbogenschweißbrenner der Brenner abgeschaltet wird, wenn das Kabel durchschlagen wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in einer zwangsweisen Stromunterbrechung bei einem Plasmalichtbogenschweißbrenner, die sicherstellt, daß der Brenner nicht gebrauchsfähig ist, wenn er nicht richtig zusammengebaut ist.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Steuervorrichtung für einen Plasmalichtbogenschneidbrenner, die eine übermäßige Lichtbogenbildung und einen Verschleiß der Düse verhindert.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist in einer Steuervorrichtung für eine Plasmalichtbogenschneidvorrichtung zu sehen, welche die Verwendung der elektrischen Stromquelle zum Erzeugen eines Plasmalichtbogens mit höchstem Wirkungsgrad erlaubt.
Weitere Vorteile der Erfindung liegen in den preiswerten, aber zuverlässigen Stromunterbrechungs- und/oder Überlastprüfeinrichtungen und in den konstruktiven Maßnahmen, welche den Gebrauch der Schweißvorrichtung unmöglich machen, solange die Elektrode nicht vollständig von der Düse geschützt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an Beispielen näher erläutert ist. Es zeigt:

Fig. 1 einen Plasmalichtbogenschweißbrennerkörper im Längsschnitt und die zugehörige Plasmalichtbogenschweißvorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Fig. 2 und 3 den Brennerkörper nach Fig. 1 in einem Querschnitt nach den Linien 2-2 bzw. 3-3 der Fig. 1,
Fig. 4 einen Teil des Schweißbrenners in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt,
Fig. 5 den Schweißbrennerkörper in einer auseinandergezogenen, perspektivischen Darstellung,
Fig. 6 einen perspektivischen Querschnitt durch ein Kabel, das in Verbindung mit dem Brenner nach der Erfindung verwendet wird,
Fig. 7 die Befestigung des Leiters an der Abschirmfolie bei dem Kabel nach Fig. 6,
Fig. 8 einen Teilquerschnitt der Fig. 7 nach Linie 8-8 der Fig. 7,
Fig. 9 eine graphische Darstellung der in dem in den Fig. 7 und 8 gezeigten Leiter gemessenen Spannung,
Fig. 10 und 11 schematische Diagramme, die verschiedene an den Zündlichtbogenleiter angeschlossene Schaltkreise zum Abschalten der elektrischen Stromquelle zeigen,
Fig. 12 eine schematische Darstellung der Prinzipschaltung, wie sie bei der Schweißvorrichtung nach der Erfindung verwendet wird,
Fig. 13 ein Diagramm, das den von dem Brenner gelieferten Strom und seine Spannung wiedergibt, wenn er einen Plasmalichtbogen entwickelt, und
Fig. 14 einen Teil der Brennerspitze in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt, welcher den bei der Erfindung verwendeten federnden Kontakt zeigt.

In den Fig. 1 bis 5 ist der Plasmalichtbogenbrenner in seiner Gesamtheit mit "A" bezeichnet, der einen elektrisch isolierten Brennerkörper 10 aus hartem Kunststoff aufweist, der in eine geeignete Form, beispielsweise einen Handgriff, gebracht ist, die jedoch nicht dargestellt ist. In dem Brennerkörper 10 ist eine geeignete Plasmagasleitung 12 angeordnet, durch welche ein geeignetes, ionisierbares Gas, beispielsweise Luft, dem Plasmalichtbogenschweißbrenner A zugeführt wird. Die Gasleitung 12 befindet sich in gasdichter Verbindung mit einem Gasverteiler 13 aus Metall, der eine diesen durchsetzende zentrale Durchströmöffnung 15 aufweist. Das eine Ende der zentralen Durchströmöffnung 15 ist mit einem Innengewinde 16 versehen. Das Innengewinde 16 setzt sich bis zum Ende des Gasverteilers 13 fort, der dort eine ebene Sitzfläche 17 bildet. In die zentrale Durchströmöffnung 15 münden mehrere radial verlaufende Gasverteilungskanäle 18, welche das Plasmagas auf die Außenseiten des Gasverteilers 13 verteilen, wie dies durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist.
In einem zylindrischen Metallgehäuse 23 ist eine Elektrode 20 in Form eines Hafnium-Drahtes 21 eingebettet. Das zylindrische Gehäuse 23 hat ein abgerundetes Ende 24 und eine ringförmige Schulter 26 an seinem gegenüberliegenden Ende, an dem sich ein Zapfen 27 mit Außengewinde befindet. Der Zapfen 27 ist in den Gasverteiler 13 so weit eingeschraubt, daß die Schulter 26 an der ebenen Sitzfläche 17 des Gasverteilers 13 dicht anliegt.
Der Gasverteiler 13 und die Elektrode 20 werden von einer Düseneinrichtung oder einem Düsenkörper 30 umgeben, der aus einer Düsenhülse 31 und einer schalenförmigen Düsenspitze 32 besteht. Wie am besten aus den Fig. 1, 4 und 5 hervorgeht, hat die Düsenhülse 31 einen zylindrischen Basisteil 34, welcher den Gasverteiler 13 umgibt und in dem Brennerkörper 10 aus Kunststoff eingebettet ist. Der Basisteil 34 endet in einem ringförmigen Kontaktringteil 35.
Der Ringteil 35 hat eine flache, ringförmige Kontaktfläche 37 und eine Mittelöffnung 38 mit Innengewinde, die sich von der ringförmigen Kontaktfläche 37 nach innen erstreckt, und eine sich nach außen erweiternde, kegelstumpfförmige Außenfläche 39, die vom Außenrand der ringförmigen Kontaktfläche 37 ausgeht und mit dem zylindrischen Basisteil 34 eine Außenschulter 40 bildet. Neben der Verschneidung des Ringteiles 35 mit dem zylindrischen Basisteil 34 ist im Ringteil 35 eine innere Ringschulter 42 ausgebildet.
Den Ringteil 35 durchdringt mindestens eine Gaspassage 44, die eine Gasverbindung zwischen der Innenseite und der Außenseite der Düsenhülse 31 herstellt. Ein ringförmiger, elektrisch isolierender Sitzring 45 aus Kunststoff liegt mit einem Ende an der inneren Ringschulter 42 und mit seinem anderen Ende an der flachen Sitzfläche 17 des metallenen Gasverteilers 13 an. Der ringförmige Sitzring 45 positioniert hierdurch den Gasverteiler 13 und die Elektrode 20 in einem elektrisch isolierenden, festen Raumabstand zur Düsenhülse 31.
Radiale Gaskanäle 46 erstrecken sich von der zylindrischen Außenwand zur zylindrischen Innenwand des Isoliersitzringes 45. Zwischen dem zylindrischen Basisteil der Düsenhülse 31 und dem Gasverteiler 13 wird ein Ringraum gebildet. Das Gas strömt von den radialen Durchtrittsöffnungen 18 im Gasverteiler 13 in den Ringraum 48 und von hier durch die sich in radialer Richtung erstreckenden Gaskanäle 46 gegen das zylindrische Elektrodengehäuse 23, wo das Gas ionisiert wird. Alternativ strömt das Gas durch die Gasaustrittsöffnungen 44 im Ringteil 35 für die Metallbeseitigung, während dieser Gasstrom gleichzeitig den Düsenkörper 30 kühlt.
Wie bereits angedeutet, hat der Düsenkörper 30 einen napfförmigen Düsenspitzenkörper 32, von dessen ringförmiger Kontaktgrundfläche 50 eine Buchse 51 mit Außengewinde ausgeht, die in das Innengewinde der zentralen Öffnung 38 der Düsenhülse 31 eingeschraubt werden kann. Der untere Teil 53 der schalenförmigen Düsenspitze 32 hat eine sich in Axialrichtung erstreckende Öffnung 54, die geringfügig kleiner ist als der Elektrodendraht 21, aber mit diesem fluchtet. Die Innenfläche 56 der schalenförmigen Düsenspitze 32 ist etwa gleich gestaltet wie die Form des zylindrischen Elektrodengehäuses 23, so daß zwischen der Innenfläche 56 der schalenförmigen Düsenspitze 32 und der Außenfläche des zylindrischen Elektrodengehäuses 23 ein Funkenüberschlagraum 57 entsteht, der zur Spitze hin sanft gekrümmt ist, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht. In dem Funkenüberschlagraum 57 wird ein Funke gebildet, der sehr schnell zu dem Zündlichtbogenraum 59 wandert, der sich in der Nähe des abgerundeten Endes 24 des zylindrischen Elektrodengehäuses 23 befindet, wo der Zündlichtbogen erzeugt wird. Tatsächlich ist der Zündlichtbogenraum 59 ein maximaler Raum in dem Zündfunkenüberschlagraum 57, wobei gefunden wurde, daß solch eine Anordnung die Schneidfähigkeit des Brenners verbessert.
Über den Düsenkörper 30 ist eine Gaskühlhülse 60 geschoben, die mit Hilfe eines O-Ringes 62 dicht anliegt, der zwischen der Schulter 40 des Kontaktringteiles 35 der Düsenhülse 31, dem Brennerkörper 10 und der Innenfläche der Kühlhülse 60 zusammengepreßt wird. Die Gaskühlhülse 60 wirkt mit dem Düsenkörper 30 derart zusammen, daß ein feiner Gasstrom auf den Schnitt im Werkstück geleitet oder auf diesen Schnitt fokussiert wird, der von dem Plasmalichtbogen zur Entfernung des Metalles erzeugt wird. Außerdem ist die Ausbildung der kegelstumpfförmigen Fläche 39, der Außenfläche der napfförmigen Düsenspitze 32, die Anordnung der Gasaustrittsöffnungen 44 und die innere Form der Gaskühlhülse 60 derart, daß beim Ausströmen des Gases durch die Gasaustrittsöffnungen 44 und den Raum zwischen der Kühlhülse 60 und dem Düsenkörper 30 ein etwas turbulenter Gasstrom erzeugt wird, welcher die Kühlung des Düsenkörpers 30 verbessert, wobei sich diese verbesserte Gaskühlung dadurch fortsetzt, daß das Gas als Düsenstrom tangential der Stirnfläche der napfförmigen Düsenspitze 32 zugeführt wird, wenn das Gas den Kühlraum 63 verläßt, was in erster Linie dazu dient, zum Zwecke der Metallabtragung den Gasstrom genau auf das Werkstück zu richten.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist eine 250 - 350 V Gleichstromquelle mit dem Brenner A und dem Werkstück W verbunden. Ein Kathodenleiter 70 verbindet den negativen Pol der Gleichstromquelle mit der Elektrode 20 über den metallenen Gasverteiler 13, obgleich zur vereinfachten Darstellung der Kathodenleiter 70 als an die Plasmagasleitung 12 angeschlossen dargestellt ist. Ein vom Werkstück kommender Leiter 71 ist an die positive Klemme der elektrischen Energiequelle angeschlossen. In den Kathodenleiter 70 ist ein Hauptenergieschalter 73 zum Ein- und Ausschalten der Hauptenergiequelle und ein Hochfrequenztransformator 74 eingebaut, der das Zünden des Pilotlichtbogens unterstützt. Ein Zündlichtbogenkontaktdraht 75 ist elektrisch isoliert im Brennerkörper 10 eingebettet und elektrisch leitend am zylindrischen Basisteil 34 der Düsenhülse 31 befestigt. Ein Zündlichtbogenleiter 76 verbindet den Zündlichtbogenkontaktdraht 75 über einen 3-Ohm-Widerstand 78 und einen Zündlichtbogenschalter 79 mit der positiven Erdung. Ein Kondensator 80 ist zwischen der Elektrode 20 und dem Hochfrequenztransformator 74 zu dem Kathodenleiter 70 und dem Zündlichtbogenleiter 76 parallelgeschaltet, und ein 80 V-Überlastprüfkreis 82 ist zwischen dem Zündlichtbogenleiter 76 und dem Erdungs- oder Werkstückleiter 71 parallelgeschaltet.
Soweit beschrieben, ist die Brennerschaltung ein wenig konventionell. Ein nicht näher dargestellter Schalter am Brenner A wird betätigt, um den Zündlichtbogenschalter 79 und den Hauptenergieschalter 30 zu schalten.("Schalten" wird hier im funktionellen Sinne gebraucht. In Wirklichkeit sind die "Schalter" 73 und 79 Kontakte, die von dem Schalter oder Trigger am Brennerhandgriff geöffnet oder geschlossen werden.) Wenn der Schweißer die Schalter 79 und 73 nacheinander betätigen will, könnte der Trigger alternativ auch zweimal betätigt werden; zuerst, um den Zündlichtbogenschalter 79 zu betätigen, und danach, um den Hauptenergieschalter 73 zu betätigen. Wenn beide Schalter geschlossen sind, wird das Potential von annähernd 300 V eines offenen Stromkreises an die Elektrode 20 angelegt und im Funkenüberschlagsraum 57 wird ein Zündlichtbogen erzeugt, der schnell zu dem Zündlichtbogenraum 59 wandert. Der Kondensator 80 ist gegenüber dem Hochfrequenztransformator 74 so bemessen, daß er sich rasch lädt und entlädt, um den Zündlichtbogen aufrechtzuerhalten. Die Spannung, die an dem Zündlichtbogenleiter 76 abgegriffen wird, wenn ein Zündlichtbogen gebildet wird, beträgt ungefähr 66 V. Wenn sich der Plasmalichtbogenschweißbrenner A in seiner Zündlichtbogen- oder Anfangsphase befindet, wird das Gas, welches die Düsenöffnung 54 verläßt, von dem Zündlichtbogen ionisiert und erhitzt und entwickelt ein Plasma. Der Plasmalichtbogenbrenner A wird dann von dem Schweißer auf das Werkstück W abgesenkt. Sobald die schalenförmige Düsenspitze 32 das Werkstück W erreicht, springt der Zündlichtbogen von der Düsenspitze 32 auf das Werkstück W über, das infolge des Widerstandes 78 eine niedrigere Impedanz hat als die Düsenspitze 32. Wenn der Pilotlichtbogen von der napfförmigen Düsenspitze 32 auf das Werkstück W übergeht, bildet sich ein Plasmalichtbogen.
Wie erwähnt, ist die Zündlichtbogenspannung, die in dem Zündlichtbogenleiter während des normalen Bestehens des Zündlichtbogens abgegriffen wird, aus den nachstehend näher erläuterten Gründen immer kleiner als die Plasmalichtbogenspannung und beträgt für den hier dargestellten besonderen Brenner annähernd 66 V. Wenn aus irgendeinem Grunde zwischen Elektrode und Düse ein Kurzschluß auftritt, wird das volle Potential von 250 - 350 V des offenen Stromkreises an den Düsenkörper 30 angelegt, das am Zündlichtbogenleiter 76 festgestellt werden kann. Infolgedessen ist ein Überlastprüfkreis oder Fehlerdetektorkreis 82 vorgesehen, der so ausgestaltet ist, daß er bei etwa 80 V schaltet, um eine Störung der Überlastfeststellung zu vermeiden, die in der momentanen Bildung eines Doppellichtbogens oder eines Schaltstoßes ihre Ursache hat. Wenn er betätigt wird, schaltet der Überlastprüfkreis 32 die Hauptenergiequelle ab.
Zwei übliche Steuerkreise, die als Überlastprüf- und Abschaltkreise 82 verwendet werden können, sind in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Der in Fig. 10 dargestellte Überlastabtastkreis verwendet einen Integrator 84, der die Größe einer Spannungsänderung über einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise über eine halbe Sekunde, berechnet. Die integrierte Funktion dv/dt (oder alternativ di/dt) wird dann mit einem Grenzwert in einem Komparatorkreis 85 verglichen, und wenn der Grenzwert des Komparators 85 überschritten wird, schaltet ein geeigneter Abschaltkreis 87 die Hauptenergiequelle ab. Beispiele für verschiedene Integrations- und Komparatorkreise, die dt/dt (oder di/dt) messen und die Energiequelle abschalten, nachdem sie mit vorherbestimmten maximalen Grenzwerten verglichen wurden, sind in dem US-Patent 4 717 807 der Anmelderin beschrieben, auf das Bezug genommen wird.
Dieser Abschaltkreis wird wirksam, weil die Spannungsänderung beim Erfühlen eines Kurzschlusses schneller vor sich geht als beim Erzeugen des Zündlichtbogens.
Ein einfacherer Überlastdetektorkreis ist in Fig. 11 dargestellt, bei dem ein Kondensator 88 durch einen Widerstand 89 aufgeladen wird, der zwischen dem Erdungs- oder Werkstückleiter 71 und dem Zündlichtbogenleiter 76 eingeschaltet ist. Wenn ein Kurzschluß erfühlt wird, wird eine größere Spannung an den Kondensator angelegt und der Kondensator entladen. Bei dem Entladungsvorgang betätigt der Kondensator 88 einen Schaltkreis 90.
Der allgemeine Schaltkreis für das Plasmalichtbogensteuersystem ist in Fig. 12 dargestellt und weist eine thyristor- oder silikongesteuerte Gleichrichterbrücke 92 auf, die an den Sekundärteil eines nicht näher dargestellten Transformators einer nicht dargestellten, Dreiphasen-Wechselstromquelle angeschlossen ist. Der gleichgerichtete Ausgang der silikongesteuerten Gleichrichterbrücke 92 wird durch eine Nebenschlußleitung (shunt) 93 und dann durch den Hochfrequenztransformator 74 zu der Elektrode 20 geleitet. Parallel zu der silikongesteuerten Gleichrichterbrücke 92 liegt ein Stabilisatorkreis 95, der einen Kondensator 96 aufweist, der von einer Diode 97 geladen und von einem Widerstand 98 entladen wird, welcher zu der Diode 97 parallelgeschaltet ist. Die Tore der silikongesteuerten Gleichrichterbrücke 92 werden von einem konventionellen Schalt- oder Triggerkreis 100 gesteuert, der die Tore der silikongesteuerten Gleichrichter in der Brücke 92 öffnet oder vorwärts oder rückwärts in Phase bringt, um den Energieinhalt der elektrischen Impulse (und demgemäß den Strom) in üblicher Weise zu verändern. Die Zeit, während der die Tore von dem Schaltkreis 100 offengehalten oder in Phase zurückgebracht werden, wird durch einen Verzögerungskreis (phase back circuit) 101 gesteuert. Der Verzögerungskreis 101 wiederum wird durch den Zünd- oder Anfangslichtbogen oder von dem in der Nebenschlußleitung 93 abgefühlten Strom- oder Spannungsdifferential betätigt.
Wendet man sich nun der Fig. 13 zu, so wird in dieser graphischen Darstellung schematisch gezeigt, daß die Energiequelle einen pulsierenden Ausgang hat, wenn der Hauptenergieschalter 73 des offenen Spannungskreises von ca. 300 V betätigt wird. Wenn der Pilotlichtbogenschalter 79 geschlossen wird, wird ein Pilot- oder Zündlichtbogen erzeugt, der ein Potential von etwa 160 - 170 V und einen Stromabzug von etwa 22,5 A hat. Wenn der Zündlichtbogen auf das Werkstück übertragen wird und ein Plasmalichtbogen entsteht, hat der Plasmalichtbogen ein Potential von etwa 110 - 120 V und einen damit verbundenen Stromanstieg. Wenn der Zündlichtbogen hergestellt ist, müssen die Thyristoren durch den Verzögerungskreis 101 vorwärts in Phase gebracht werden, um annähernd ihre volle Leitfähigkeit zu erhalten und eine Spannung zu erzeugen, die hoch genug ist, um den Lichtbogen zu zünden. Wenn der Lichtbogen als Plasmalichtbogen übertragen wird, steigt der durch den Lichtbogen fließende Strom an und die Spannung des Plasmalichtbogens fällt auf etwa 110 - 120 V ab. Dies bedeutet, daß die Thyristoren von dem Verzögerungskreis 101 in ihrer Phase zurückgebracht werden müssen, d.h. bei dem hier betrachteten Brenner um typischerweise 25 Grad (was jedoch vom Einstellpunkt der Maschine abhängt), unmittelbar nachdem ein Strom in demjenigen Impuls festgestellt wurde, der auftritt, wenn der Pilotlichtbogen auf das Werkstück W übergeht, und der höher ist als derjenige, der für den Betrieb des Zündlichtbogens erwartet wird. Wenn die Phasenrückführung nicht stattfindet, steigt der Strom im Brenner an, der Lichtbogen wird nicht eingeschnürt und beschädigt die Brennerdüsenspitze 32, wenn er durch die Öffnung 54 hindurchgeht.
Allgemein gesprochen, gibt es für den Betrag, auf den ein Lichtbogen eingeschnürt werden kann, bei jedem vorgegebenen Brenner eine Grenze, die sich im allgemeinen nach dem Luftdruck, der Luftströmung, der Größe der Düsenöffnung und der Stromstärke bestimmt. Die Stromstärke ist die einzige Veränderliche, die durch die Energiequelle gesteuert werden kann. Wenn ein Lichtbogen von einer gewissen Größe, die von einem vorgegebenen Stromwert gegeben ist, von einer zu kleinen Düsenöffnung 54 im Brenner eingeschnürt wird, geht der Strom im Lichtbogen zuerst am Rand der Düsenöffnung 54 auf das schalenförmige Düsenspitzenteil 32 und dann an der Außenseite der Düsenöffnung auf das Werkstück W über. Dieser Vorgang erodiert die Düsenöffnung solange, bis diese groß genug geworden ist, um den Lichtbogen hindurchzulassen. Gleichzeitig wird die Elektrode freigelegt und die schalenförmige Düsenspitze 32 muß erneuert werden. Aus diesem Grunde beschleunigt der in Fig. 12 dargestellte Schaltkreis den Triggerkreis 100, wenn sich der Brenner in seiner Zündlichtbogenschneidphase befindet, und in dem Augenblick, in dem der Zündlichtbogen in einen Plasmalichtbogen übergeht, hat der Stromanstieg, der durch die Nebenschlußleitung 93 in diesem elektrischen Impuls abgefühlt wird, die Wirkung, daß die Thyristoren sofort verzögert werden. Wenn diese Verzögerung eintritt, wird das Steuersystem etwas instabil und hat die Neigung zu pendeln, bis der Strom seinen einregulierten Pegel erreicht, wie dies in dem Plasmalichtbogenstromteil der Kurve in Fig. 13 dargestellt ist.
Um das System zu stabilisieren und zu verhindern, daß der Lichtbogen ausgelöscht wird, wird der Kondensator 96 durch den Widerstand 98 für eine genügend lange Zeit (im allgemeinen ungefähr 12 Millisekunden) entladen, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Dies tritt in einem etwas geringeren Ausmaß auch dann ein, wenn der Zündlichtbogen sich zu bilden beginnt. Auf diese Weise führt der in Fig. 12 dargestellte Schaltkreis eine Beschädigung der Düsenspitze 32 auf ein Minimum zurück, stabilisiert das elektrische System sowohl zu der Zeit, in der der Zündlichtbogen sich bildet, als auch zu der Zeit, wo der Zündlichtbogen als Plasmalichtbogen auf das Werkstück übertragen wird, während gleichzeitig die von der Energiequelle erhältliche Energie dadurch optimiert wird, daß der Grad der Phasenverzögerung der silikongesteuerten Gleichrichter auf ein Mininum zurückgeführt wird.
In den Fig. 1 bis 5 und 14 ist ein Federdrahtschleppkontakt 110 dargestellt, der in dem Brennerkörper 10 eingebettet ist und ein Teil der Düsenhülse ist. Mehr im einzelnen hat die Düsenhülse 31 in ihrem Kontaktringteil 35 einen Ausschnitt 111 und in ihrem zylindrischen Basisteil 34 einen Ausschnitt 112, in die ein Segmentblock 113 aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial eingesetzt ist, dessen Außenfläche so geformt ist, daß sich für den Kontaktring 35 eine kontinuierliche und glatte Außenfläche ergibt. In dem Segmentblock 113 ist eine Nute 115 angeordnet, die das umgebogene Ende 117 eines Federdrahtschleppkontaktes 110 aufnimmt.
Wie am besten aus Fig. 14 hervorgeht, ist der Federdrahtkontakt 110 im Verhältnis zur Nute 115 so geformt, daß sich das umgebogene Ende 117 um einen Betrag x gegenüber der Nute 115 bewegen kann, wenn die ringförmige Kontaktfläche 50 der napfförmigen Düsenspitze 32 fest in die Düsenhülse 31 eingeschraubt wird. Dies gewährleistet einen guten elektrischen Kontakt.
An den Durchgangsleiterfederdrahtkontakt 110 ist ein Kontinuitätsleiter 120 angeschlossen, der zu einem Durchgangsprüfkreis 121 in Fig. 1 führt und eine Durchgangsprüfspannung V_cc von etwa 15 V und eine Stromstärke von 50 - 100 mA aufweist. Wenn die napfförmige Düsenspitze 32 richtig in Stellung gebracht ist, fließt ein Strom durch den Kontinuitäts- oder Prüfleiter 120, den Kontinuitätsfederdrahtkontakt 110, durch die napfförmige Düsenspitze 32, die Düsenhülse 31, den Zündlichtbogenkontaktdraht 75 und von dort durch den Zündlichtbogenleiter 76. Infolgedessen kann in den Schaltkreis ein Durchgangsprüfkreis 120 eingebaut werden, um den Durchgang zu prüfen oder die Spannungsdifferenz zwischen dem Zündlichtbogenleiter 76 und dem Kontinuitätsleiter 120 zu messen. Sollte dort ein Spannungsdifferential auftreten oder sollte ein minimaler elektrischer Stromfluß nicht festgestellt werden, kann die Energiequelle abgeschaltet werden.
In den Fig. 1 und 6 bis 9 ist ein Kabel 130 dargestellt, das mit seinem einen Ende in nicht näher dargestellter Weise am Brennerkörper und dessen anderes Ende in ebenfalls nicht dargestellter Weise an der Energiequelle befestigt ist. In das Kabel ist eine Gasleitung 12 zum Zuführen des Schutz/Kühl/Schneid-Plasmagases und ein Hauptleiter 132 eingebettet, der seinerseits von einem Schutzmantel 133 umgeben ist und den Lichtbogenstrom zuführt. Ferner ist in dem Kabel eine Sammlung von Steuerleitungen 132 eingebettet, die in ähnlicher Weise mit Schutzüberzügen 135 versehen sind und für verschiedene Zwecke, beispielsweise zum Schalten der Kontakte, zum Zuführen des Stromes zu dem Kontinuitätsdrahtfederkontakt 110 usw. dienen. Jeder der vorerwähnten Leiter ist in einer biegsamen, isolierenden Kunststoffüberzugsmasse 137 eingebettet, an der eine Metallfolie oder eine metallene Abschirmung 138 befestigt ist, welche sich über die gesamte Länge des Kabels 130 erstreckt und mindestens den Hauptleiter 132 vollständig umgibt. An der Abschirmung 138 ist eine Erdungsleitung 140 befestigt, die aus einem blanken Draht besteht, der auf der gesamten Länge des Kabels mitläuft und an dem Zündlichtbogenkontaktdraht 75 im Brennerkörper 10 am Brennerkörper 10 angeschlossen ist. Auf seiner Außenseite wird die Abschirmung 138 von einem biegsamen, isolierenden Kunststoffmantel 41 umgeben, der aus einem biegsamen, thermoplastischen Material besteht, das durch ein Elektronenstrahlverfahren "vernetzt" ist, um es abriebfest und zäh werden zu lassen.
Wenn das Kabel 130 von irgendeinem elektrisch leitenden Gegenstand, wie er beispielsweise in Fig. 6 mit 150 bezeichnet ist, durchschlagen oder durchschnitten wird und dieser Gegenstand, nachdem er die Abschirmung 138 durchdrungen hat, den Überzug 133 durchschneidet und mit dem Hauptleiter 132 einen Kontakt herstellt, wird zwischen der Erdungsleitung 140 und dem Hauptleiter 132 ein Kurzschluß festgestellt und der so entdeckte Kurzschluß wird von dem Prüfkreis dem Zünd lichtbogenkontaktdraht 75 und von dort dem Zündlichtbogenleiter 46 und dem Überlastprüfkreis 82 zugeführt. Dieser registriert die Spannung eines offenen Stromkreises von annähernd 300 V und schaltet die Energiequelle in gleicher Weise ab, wie dies der Prüfkreis getan haben würde, wenn ein Kurzschluß am Düsenkörper 30 festgestellt worden wäre. Die Durchschlagerkennung oder der Sensorkreis nach der Erfindung ist immer wirksam, gleichgültig ob der Zündlichtbogenschalter 79 offen oder geschlossen ist.
Damit wurden verschiedene Merkmale beschrieben, die bei einer Plasmalichtbogenschweißvorrichtung verwendbar sind und voneinander abhängen und aufeinander Bezug nehmen. So wird beispielsweise ein Überlastungsdetektorkreis, der in der Lage ist, Kurzschlüsse zwischen Brennerdüse und Elektrode festzustellen und die Energiequelle abzuschalten, dazu benutzt, ein Durchschlagen oder einen Bruch des Brennerkabels festzustellen. In ähnlicher Weise wird ein elektrischer Verriegelungskreis in Verbindung mit einem Überlastprüfkreis dazu verwendet, einen sicheren Brenner dadurch zu schaffen, daß das Abtasten, ob die Düse sich in Stellung befindet, mit einem Abtasten einer Düsenspannung verbunden wird, um unter allen Betriebsbedingungen einen gefahrlosen Brenner zu gewährleisten. Schließlich wird ein silikongesteuerter Gleichrichterschaltkreis dazu verwendet, den Ausgang außer Betrieb zu setzen, wenn der Lichtbogen übertragen wurde, so daß die Düse an ihrer Düsenöffnung nicht abgetragen wird und die Elektrode freilegt.
Es ist offensichtlich, daß viele Abwandlungen bei den offenbarten Strom- und Schaltkreisen vorgenommen werden können, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Alle diese Abwandlungen und Änderungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Das Wesentliche der Erfindung besteht daher darin, eine sichere Plasmalichtbogenbrennschneidvorrichtung zu schaffen, bei der die Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit des Plasmalichtbogenbrenners verbessert ist.

Claims

1. Plasma-Lichtbogen-Schweißvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine elektrische Energiequelle;
einen Brennerkörper (10) mit einer Elektrode (20) und einem Düsenkörper (30), der die Elektrode (20) in einem festen Abstand von dieser umgibt;
einen Überlastprüfkreis (82) zum Erfassen eines Kurzschlusses zwischen dem Düsenkörper (30) und der Elektrode (20) und die in Abhängigkeit von einem solchen Kurzschluß die Stromquelle abschaltet;
ein an den Brennerkörper (10) angeschlossenes Kabel (130) mit einem elektrischen Hauptleiter (132) im Inneren des Kabels (130), der mit seinem einen Ende an die Elektrode (20) und mit seinem anderen Ende an die Energiequelle angeschlossen ist und
Abtastmittel (138, 140) im Inneren des Kabels (130), die ein Durchschlagen des Kabels (130) erfassen, das ausreicht, einen Kontakt mit dem Hauptleiter (132) herzustellen und die auf einen solchen Kontakt hin den Überlastprüfkreis betätigen, um die Energiequelle abzuschalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmittel eine durchgehende, elektrisch leitende Abschirmung (138) aufweisen, die in dem Kabel (130) eingebettet ist und den Hauptleiter (132) umgibt und sich über die gesamte Länge des Kabels (130) erstreckt und daß die Abtastmittel eine Erdungslei tung (140) aufweisen, die in elektrischem Kontakt mit der Abschirmung (138) und dem Düsenkörper (30) steht, wobei die Abtastmittel (138, 140) betätigt werden, wenn irgendein elektrisch leitender Gegenstand (150) die Abschirmung (138) durchschlägt und den Hauptleiter (132) berührt und hierdurch einen Kurzschluß zwischen der Elektrode (20) und der Düse (10) bewirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkörper (10) einen Zündlichtbogen-Kontaktdraht (75) aufweist, der sich in elektrischem Kontakt mit dem Düsenkörper (30) und der Erdungsleitung (140) befindet und daß ein Zündlichtbogenschalter (79) und ein Zundlichtbogenleiter (76) vorgesehen sind, die an den Überlastprüfkreis (82) und den Pilotlichtbogen-Kontaktdraht (75) angeschlossen sind und daß zwischen der Elektrode (20) und der Hauptenergiequelle ein Hauptenergieschalter (73) angeordnet ist, wobei der Überlastprüfkreis (82) betätigt wird, wenn der Pilotlichtbogenschalter (79) und der Hauptstromschalter (73) aktiviert sind, um zwischen dem Düsenkörper (30) und der Elektrode (20) einen Zündlichtbogen zu erzeugen und wenn eine vorher bestimmte Spannung, gemessen relativ zu dem Zündlichtbogenleiter (76) überschritten wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlastprüfkreis (82) die Stromquelle abschaltet, wenn der Zündlichtbogenschalter (79) offen ist und die Abtastmittel (138, 140) aktiviert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20) eine Kathode ist, daß das Werkstück (W) das Erdpotential darstellt, daß die Energiequelle eine Gleichstromspannung in der Größe von etwa 250 bis 350 Volt an die Elektrode (20) liefert, daß der Zündlichtbogenschalter (79) an das Erdpotential angeschlossen ist und daß der vorherbestimmte Wert die Spannung ist, die zwischen dem Zündlichtbogenschalter (76) gegenüber dem Erdpotential abgegriffen wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorherbestimmte Spannungswert nicht kleiner ist als etwa 66 Volt und nicht größer als etwa 250 Volt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (30) eine im Brennerkörper (10) verankerte Düsenhülse (31) und eine schalenförmige Düsenspitze (32) aufweist, die zu dem Düsenkörper (30) fest zusammengeschraubt werden können und daß die Erdungsleitung (140) über einen Zündlichtbogen-Kontaktdraht (75) an die Düsenhülse (31) angeschlossen ist und daß in dem Brennerkörper (10) eine Kontinuitätsleitung (12) angeordnet ist, an die eine elektrische Spannungsquelle für einen Kontinuitätskreis (V_cc) angeschlossen ist und daß die napfförmige Düsenspitze (132), wenn sie richtig an der Düsenhülse (31) befestigt ist, einen Stromdurchgang von dem Kontinuitätsleiter (120) zu der Erdungsleitung (140) ermöglicht und daß der Kontinuitäts- oder Durchgangsprüfkreis (121) den Durchgang zwischen dem Kontinuitätsleiter (120) und dem Zündlichtbogen-Kontaktdraht (75) mißt derart, daß bei einem Fehlen eines Durchflusses zwischen diesem Kontinuitätsleiter (120) und dem Zündleitungs-Kontaktdraht (75) die Hauptstromquelle abgeschaltet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenhülse (31) einen ringförmigen Kontaktring (35) aufweist, der aus dem Brennerkörper (10) mit einer mit einem Innengewinde versehenen zentralen Öffnung (38) vorsteht und eine im wesentlichen flache Stirnfläche (37) aufweist und daß sich von der gegenüberliegenden Seite des Ringteiles (35) ein zylindrischer Basisteil (34) erstreckt, der in dem Brennerkörper (10) verankert ist und daß der Ringteil (35) einen elektrisch isolierten Abschnitt (113) mit einer Nute (115) aufweist und daß der Kontinuitätsleiter (120) die Form eines Kontinuitäts-Kontaktfederdrahtes (110) hat, der in der Nute (115) liegt und über die Stirnflache (37) des Basisteiles (34) vorsteht, wenn die Düseneinrichtung (A) sich in einer nicht-zusammengebauten Lage befindet und daß der schalenförmige Düsenspitzenteil (32) eine ringförmige Kontaktgrundfläche (50) und einen vorstehenden, mit Gewinde versehenen Buchsenteil (51) aufweist, der über die Kontaktfläche (50) vorsteht und mit der mit Innengewinde versehenen zentralen Öffnung (38) der Düsenhülse (31) verschraubt werden kann, wobei sich die Kontaktgrundfläche (50) gegen die flache Stirnfläche (37) legt und den Kontinuitäts-Kontaktfederdraht (117) in der Nute (15) verschiebt, wenn die schalenförmige Düsenspitze (32) richtig an dem Düsenkörper (30) befestigt ist und hierdurch den Stromdurchgang ermöglicht, der von dem Kontinuitätsprüfkreis(121) gemessen wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Brennerkörper (10) eine Gasleitung (12) und ein Gasverteilerblock (13) angeordnet ist, der an seinem einen Ende mit dem Auslaß der Gasleitung (12) in Ver bindung steht und innerhalb des zylindrischen Basisteiles (34) der Düsenhülse (31) angeordnet ist und daß zwischen dem Gasverteiler (13) und dem Ringteil (35) der Düsenhülse (31) ein ringförmiger Isoliersitzring (45) angeordnet ist, der den Gasverteiler (13) von der Düsenhülse (31) elektrisch isoliert und daß der Gasverteiler (13) eine Stirnfläche (17) aufweist, in der sich eine mit Gewinde versehene Öffnung (15) befindet, die dem Ringteil (35) benachbart ist und daß die Elektrode (20) einen zylindrischen Körperteil (23) aufweist, dessen eines Ende abgerundet ist und der an seinem anderen Ende eine ringförmige Schulter (26) und ein über diese Schulter hinausragendes, mit Außengewinde versehenes Ende (27) aufweist, das mit der mit Innengewinde versehenen Öffnung (16) des Gasverteilers (13) verschraubt ist und daß der napfförmige Düsenspitzenteil (32) auf seiner Innenseite so gestaltet ist, daß er nahe mit dem zylindrichen Körperteil (23) der Elektrode (20) übereinstimmt und zusammen mit diesem einen Elektrodenfunkenraum bildet, der graduell bis zu einem maximalen Funkenabstand an der Stelle anwächst, die im wesentlichen dem abgerundeten Ende (24) des zylindrischen Körperteiles (23) der Elektrode (20) benachbart ist und in ihrer Mitte eine Düsenöffnung (54) aufweist und daß der Isoliersitzring (45) Gaskanäle (46) aufweist, die mit dem Elektrodenfunkenraum in Verbindung stehen und daß der Gasverteilerblock (13) Gasdurchgangsöffnungen (18) aufweist, die einerseits mit der Gasleitung (12) und andererseits mit einem Raum (48) in Verbindung stehen, der zwischen dem Gasverteilerblock (13) und dem zylindrischen Basisteil (34) der Düsenhülse (31) gebildet wird, wobei ein ionisierbares Gas durch die Öffnung injiziert wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gaskühlbecher (60) vorgesehen ist, der einen Teil des napfförmigen Düsenspitzenteiles (32) umgibt und mit Dichtmitteln (62) gegenüber dem Brennerkörper (10) abgedichtet ist und daß der Ringteil (35) der Düsenhülse (31) mindestens einen Gasdurchlaß (44) aufweist, der mit einem Raum (63) zwischen dem Kühlbecher (60) und der napfförmigen Düsenspitze (32) in Verbindung steht, wobei ein Teil des die Gasleitung (44) verlassenden Gases gegen die napfförmige Düsenspitze (32) gerichtet wird, um das Gas in die Schneidzone des Werkstückes (W) zu fokussieren und geschmolzenes Metall abzutragen, wobei gleichzeitig die napfförmige Düsenspitze (32) gekühlt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch
Gleichrichtelemente zum Erzeugen einer Reihe von elektrischen Gleichstromimpulsen, die der Elektrode zugeführt werden;
Schaltmittel zum Erzeugen eines Zündlichtbogens zwischen der Düse und der Elektrode beim Zünden des Brennersystems, welcher Lichtbogen während des normalen Betriebes der Plasma-Lichtbogen-Schweißvorrichtung als ein Plasma-Lichtbogen auf das Werkstück übertragen wird;
Schaltmittel zum Verändern des Phasenwinkels der Impulse von einem ersten Wert, bei dem der Zündlichtbogen gebildet wird, zu einem zweiten Wert bei dem sich der Plasma-Lichtbogen bildet;
Sensormittel zum Feststellen des Stromes in jedem elektrischen Impuls während der Bildung eines Zündlichtbogens und in Abhängigkeit von einem Impuls, der einen vorherbestimmten Stromwert überschreitet in demjenigen Moment, in dem der Zündlichtbogen in den Plasma-Lichtbogen übergeht, um die Schaltmittel zum Reduzieren des Phasenwinkels der Zündlichtbogen-Impulse zu betätigen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggervorrichtung zum Variieren des Phasenwinkels die Gleichrichtung der elektrischen Impulse in der Plasma-Lichtbogenphase um etwa 25°Grad variiert.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch Stabilisiermittel zum Aufrechterhalten des Plasma-Lichtbogens, wenn das Sensormittel die Trägervorrichtung betätigt, um den Phasenwinkel der Zündlichtbogen-Impulse zu reduzieren.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabilisiermittel einen Kondensator aufweist, der zu seiner Ladung mit einer Diode in Reihe geschaltet ist, der ein Widerstand zum Entladen des Kondensators parallel geschaltet ist, wobei der Kondensator eine genügende Größe hat, um einen Strom zu liefern, der ausreicht, den Zündlichtbogen für 12 Millisekunden aufrechtzuerhalten.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichrichtmittel, welches die elektrischen Impulse erzeugt, eine Dreiphasen-Wechselstromquelle, einen mit jeder dieser Phasen verbundenen Transformator und einen Gleichrichter-Brückenkreis aufweist, der gesteuerte Gleichrichter besitzt, wobei der Eingang des Gleichrichtkreises mit dem Sekundärkreis des Transformators verbunden ist und der Ausgang des Gleichrichtkreises eine unmittelbare Arbeitsspannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück bereitstellt und daß die Triggervorrichtung eine Vorrichtung zum Steuern des Gleichrichtgrades des Gleichrichterkreises in Abhängigkeit von der betätigung der Schaltmittel aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (130) einen im wesentlichen zylindrischen Aussenmantel (141) aus einem biegsamen, isolierenden Kunststoffmaterial aufweist, daß die Abschirmung (138) von einer Metallfolie gebildet wird, die in diesen Außenmantel (141) eingebettet ist, daß die Erdungsleitung (140) aus einem nackten Draht besteht, der sich über die gesamte Länge des Kabels (130) erstreckt und sich mit der Folie in Kontakt befindet und daß der Hauptleiter (132) in einem isolierenden Kunststoffmantel (133) angeordnet ist, so daß zunächst der Außenmantel (141) und dann der Isoliermantel (133) von einem elektrisch leitenden Gegenstand (150) durchstoßen werden muß, der sich zwischen diesen Teilen erstreckt, bevor das Sensormittel betätigt wird.

17. Plasma-Lichtbogen-Schweißvorrichtung zum Durchführen verschiedener Bearbeitungen an einem metallenen Werkstück, gekennzeichnet durch:
eine elektrische Energiequelle;
eine Gasversorgungsquelle zum Herstellen eines Plasmas;
einen Brennerkörper (10) mit einer Elektrode (20) die an die Hauptenergiequelle angeschlossen ist und eine Düseneinrichtung (30), welche die Elektrode (20) umgibt;
einen Überlastungsdetektorkreis (82) zum Erfassen eines Kurzschlusses zwischen der Düseneinrichtung (30) und der Elektrode (20) und zum Abschalten der Energiequelle in Abhängigkeit von einem solchen Kurzschluß;
einen Pilotlichtbogen-Kontaktdraht (75), der sich in elektrischem Kontakt mit der Düseneinrichtung (30) befindet, einen Pilotlichtbogenschalter (79), einen Pilotlichtbogenleiter (76), der an den Überlastungsdetektorkreis (82) und den Pilotlichtbogenschalter (79) angeschlossen ist, einen Hauptstromschalter (73) zwischen der Elektrode (20) und der Energiequelle, wobei der Überlastungsdetektorkreis (82) betätigt wird, wenn der Pilotlichtbogenschalter (79) und der Hauptenergieschalter (73) betätigt sind, um zwischen der Düseneinrichtung (30) und der Elektrode (20) einen Pilotlichtbogen herzustellen und hierbei eine vorherbestimmte Spannung relativ zu dem Pilotlichtbogenleiter (76) überschritten wird; wobei die Düseneinrichtung(30)eine im wesentlichen zylindrische Dusenhülse (31) im Brennerkörper (10) und eine napfförmige Dusenspitze (32) aufweist, die zu einem Düsenkörper (30) fest miteinander verschraubt werden können und als Pilotlichtbogenkontakt dienen;
einen Kontinuitätsleiter (120) in dem Brennerkörper (10), eine Kontinuitatsstromquelle (V_cc) für einen Kontinuitätsprüfkreis (121), der an den Kontinuitätsleiter (120) angeschlossen ist. wobei die napfförmige Düsenspitze (32), wenn sie richtig zu dem Düsenkörper (30) zusammengebaut ist und eine elektrische Verbindung von dem Kontinuitätsleiter (120) zu einem Erdungsleiter (140) herstellt, und der Kontinuitätskreis (121) den Stromdurchgang zwischen dem Kontinuitätsleiter (120) und dem Pilotlichtbogenkontakt (25) messen, so daß beim Fehlen eines Durchganges zwischen der Düsenspitze (32) und dem Erdungsleiter die Hauptenergiequelle abgeschaltet wird, wodurch der Brenner zu jeder Zeit sicher ist.

18. Plasma-Lichtbogen-Schweißvorrichtung zum Ausführen verschiedener Bearbeitungsvorgänge an einem metallenen Werkstück gekennzeichnet durch:
eine elektrische Energiequelle;
eine Gasquelle zum Zuführen eines Gases für die Erzeugung eines Plasmas;
einen Brennerkörper (10), der eine an die Hauptenergiequelle angeschlossene Elektrode (20) und eine Düseneinrichtung (30) aufweist, welche die Elektrode (20) umgibt;
einen Überlastprüfkreis (82) zum Feststellen eines Kurzschlusses zwischen der Düseneinrichtung (30) und der Elektrode (20) und zum Abschalten der elektrischen Energiequelle beim Auftreten eines solchen Kurzschlusses;
Gleichrichtmittel zum Erzeugen einer Reihe von elektrischen Gleichstromimpulsen, die der Elektrode (20) zugeführt werden;
Schaltmittel zum Einleiten eines Zündlichtbogens zwischen der Düseneinrichtung (30) und der Elektrode (20) beim Ingangsetzen der Schweißvorrichtung, welcher Lichtbogen während des normalen Betriebes der Plasma-Lichtbogen-Schweißvorrichtung als ein Plasma-Lichtbogen auf das Werkstück (W) übertragen wird;
eine Trägereinrichtung zum Variieren des Phasenwinkels und der Stromstärke der Impulse von einem ersten Wert, der auftritt, wenn der Zündlichtbogen erzeugt wird, bis zu einem zweiten Wert, der auftritt, wenn der Plasma-Lichtbogen entsteht;
ein Sensormittel zum Erfassen der Stromstärke in jedem elektrischen Impuls während der Bildung eines Zündlichtbogens und dann, wenn ein Impuls eine vorherbestimmte Stromstärke übersteigt, in demjenigen Moment, in dem der Zündlichtbogen auf den Plasma-Lichtbogen übergeht, um die Trägervorrichtung zu betätigen und den Phasenwinkel der Zündlichtbogenimpulse zu reduzieren.