EP1166942B1 - Plasmabrenner - Google Patents

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EP1166942B1
EP1166942B1 EP01890189A EP01890189A EP1166942B1 EP 1166942 B1 EP1166942 B1 EP 1166942B1 EP 01890189 A EP01890189 A EP 01890189A EP 01890189 A EP01890189 A EP 01890189A EP 1166942 B1 EP1166942 B1 EP 1166942B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
nozzle
voltage source
pole
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01890189A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1166942A2 (de
EP1166942A3 (de
Inventor
Gerhard Schwankhart
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inocon Technologie GmbH
Original Assignee
Inocon Technologie GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Inocon Technologie GmbH filed Critical Inocon Technologie GmbH
Priority to AT01890189T priority Critical patent/ATE335565T1/de
Publication of EP1166942A2 publication Critical patent/EP1166942A2/de
Publication of EP1166942A3 publication Critical patent/EP1166942A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1166942B1 publication Critical patent/EP1166942B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/44—Plasma torches using an arc using more than one torch

Definitions

  • the invention relates to a device according to the
  • the preamble of claim 1 (see, e.g., FR-A-2 229 493).
  • the rod-shaped electrode is switched as a cathode and used as plasma gas helium. This creates a very hot plasma that evaporates thin oxide layers. However, this is not the case with all light metal alloys.
  • a plasma torch which has two electrodes, one of which is connected to the positive pole of a voltage source, and the second electrode is connected to the negative pole of a voltage source.
  • the former electrode merely serves to build up an auxiliary sheet which extinguishes again after ignition of the main sheet.
  • the initial supply of inert gas replaced by the supply of a welding gas.
  • the apparatus according to GB 1 384 730 only one electrode is welded, namely with the electrode held at negative potential.
  • the apparatus according to GB 1 384 730 serves to build up a protective gas envelope, which corresponds in composition to the welding gas.
  • FR 2 229 493 describes a plasma welding machine with two electrodes, wherein the front electrode in the direction of movement is operated positively in order to rupture oxide layers, and the electrode lying behind negative to create the actual weld seam.
  • the electrodes are arranged parallel to each other.
  • GB 691 373 also discloses a device with two electrodes, which, however, are operated with an alternating voltage.
  • the GB 691 373 deals in particular with the task of avoiding a tearing of the arc at the zero crossings of the AC voltage.
  • GB 691 373 proposes to use a plurality of electrodes, wherein the respectively applied voltages of the electrodes have a phase difference to each other.
  • US 3 931 489 is concerned with the welding of thin steel sheets, which are bent by a "forming mechanism" into a tube whose adjacent, longitudinal edges are subsequently to be welded.
  • US Pat. No. 3,931,489 has the problem that the workpiece bent to form the pipe already has strong springing-up forces in those regions in which, when using a plurality of electrodes, that electrode is furthest away from the "forming mechanism". It is therefore the object of US Pat. No. 3,931,489 to design a multiple welding head so that it can be brought closer to the "forming mechanism", where the resilient forces of the steel sheet are still comparatively low. An indication of the generation of narrow and smooth weld seams while increasing the welding speed is also not apparent from US 3,931,489.
  • the aim of the invention is therefore to avoid these disadvantages and to propose a device of the type mentioned, which enables a high welding speed even with difficult alloys and with which it can also be ensured that resulting oxide layers are removed.
  • the proposed measures make it possible to connect the two rod-shaped electrodes to different poles of the voltage sources.
  • plasma pulses which are generated with an electrode connected to the positive pole of a voltage source
  • the oxide layers are torn open and with the subsequent plasma pulses, with the one with the negative terminal of a Voltage source connected and therefore connected as a cathode electrode are generated, the base material clean and welded with a large penetration, resulting in very narrow and smooth seams. It can be worked with a very high welding speed.
  • By locking the switching devices which only allow voltage pulses of about 1 to 5 milliseconds, it is ensured that only one electrode can be acted upon.
  • the workpiece to be machined can expediently be switched as the counterelectrode, but it is also possible to produce the nozzle, or the respective nozzle body, from an electrically conductive material and switch it as a counterelectrode.
  • both electrodes can also be switched as cathodes.
  • the required welding energy can be distributed to both electrodes and therefore they can be made thinner. This enables the production of very narrow images of e.g. only 9mm wide. With such devices can therefore be welded in hard to reach corners of workpieces, which greatly facilitates the structural design of such parts.
  • each plasma arc can be effected by means of a high-frequency pulse, when the height of the voltage of the individual voltage pulses does not exceed the respective breakdown voltage of the distance between the electrode and its respective counter-electrode. However, the ignition can also be triggered by correspondingly high voltage pulses exceeding the respective breakdown voltage.
  • the wear of the electrode connected to the positive pole which is subjected to higher stress, can be kept relatively low.
  • an ionization of the effluent from the nozzle plasma gas in the region between the electrode and the nozzle can be achieved due to an RF rollover and thus the ignition of an arc between the electrode and the workpiece can be achieved due to the applied DC voltage.
  • This also results in a very extensive protection of the plasma burner, since this is not burdened by the usual pilot arc.
  • a nozzle made of a highly electrically conductive material and their connection via a high-resistance electrical resistance to the workpiece connected to the pole of the voltage source is also advantageous in devices according to the invention, in which the positive pole of the voltage source is connected to the nozzle passing through the electrode ,
  • the features of claim 9 and 11 cause a constriction of the plasma, or avoid widening of the same due to the friction of the plasma in the air exiting at high speed, so that a very high concentration of energy is achieved.
  • a receptacle 1 which is made of an electrically insulating material.
  • this receptacle 1 are two holders 2, at the lower ends of which electrodes 3, 4 of a temperature-resistant material, such as e.g. Tungsten, used.
  • the holder 2 are made of a highly electrically conductive material and are provided with a central bore 5, which are connected in the upper and lower regions via radial bores 6 with chambers 7, 8, of which the chambers 7, each with a gas channel 109, 109 ', is supplied separately via the plasma gas, are connected, and the chambers 8, each with a discharge nozzle 9 9' are connected.
  • nozzles 9, 9 have conical inner walls, wherein the inner wall of the nozzle 9 extends substantially parallel to the conical end portion of the electrode 3, wherein the free end of the electrode 3 may be flattened.
  • the electrode 4 is formed in contrast to the electrode 3 is substantially dull.
  • a cooling channel 10 is provided in the receptacle 1, which from an inlet 11 to a penetrated by the holder 2 of the electrode 4 annulus 12 and of this, divided into two branch channels (Fig. 2) penetrated to another of the holder 2 of the electrode 3 Annulus 13 and from this leads to a spout 14.
  • connection of the two electrodes 3, 4, or their holder 2 can via screw caps 15, or if the gas channels 109, 109 'have electrically conductive walls, via this. In the latter case, the connection via connection nipple, via which gas is supplied, take place.
  • a tubular guide 16 is provided between the nozzles 9, 9 ', which is provided for guiding a serving as a supplementary wire wire.
  • the guide 16 is cranked.
  • the receptacle 1 can be made very narrow.
  • the electrode 3 extends in the position of use of the receptacle 1 substantially vertically and the electrode 4 includes with this an acute angle which may be 20 ° to 70 ° in the rule.
  • two identical electrodes 3 are provided, both of which enclose an angle with the vertical.
  • connection head 18 spring-loaded connection nipple 20 are held axially displaceable, to which a water supply line 21 and a water outlet 22 are connected to the supply and removal of cooling water, said spring-loaded connection nipple 20 with connected recording 1 in the inlet and outlet 11, 14th intervene.
  • the fixed connection nipple 23 engage with connected recording 1 in the inlets 25 of the gas channels 109, 109 'of the receptacle 1 a.
  • O-rings used for sealing.
  • an eccentrically arranged pin 26 is held in the connection head 18, which engages in a corresponding bore 27 of a receptacle 1. This ensures that a connection of a receptacle 1 to the connection head only in a certain position, in the just one proper flow through the gas and cooling channels is given is possible.
  • connection head 18 can be connected with different electrodes 3, 4 fitted recordings 1, wherein such a change can be easily performed.
  • Fig. 7 shows a detail of the nozzle body 9 for an electrode 3, which has a conical or substantially frusto-conical end.
  • the inner wall 27 of the nozzle body 9 is substantially parallel to the conical end of the electrode 3. This measure ensures that the plasma gas is directed obliquely against the axis of the nozzle 9 and therefore the tendency of the exiting plasma with increasing distance from the Mouth of the nozzle 9 due to the friction to expand the ambient air is counteracted and therefore results on a workpiece to be machined desirably only a small focal spot.
  • the conical nozzle bore 28 surrounding cold gas channels 29 are provided in the nozzle body 9, which are evenly distributed around the nozzle bore 28 concentrically arranged.
  • the axes of these cold gas channels 29, most of which are an odd number, e.g. 3, 5 or 7 are provided, generatrix of a conical surface whose axis is concentric with the axis of the nozzle bore 28.
  • These cold gas channels are open to the chamber 8 and open at the end face of the nozzle body.
  • the plasma gas flowing through these cold gas passages causes cooling of the nozzle body 9 and causes a further constriction of the plasma emerging from the nozzle 9 and thus a reduction of the focal spot and thus an increase in the energy concentration in the latter.
  • the supply of the chamber 8 with plasma gas via a gas channel 109, 109 ', the upper radial holes 6 of the holder 2, the central bore 5 and the lower radial holes. 6
  • Fig. 8 shows schematically the connection of the device according to the invention.
  • the electrodes 3, 4 are each connected to one pole each having a voltage source 31, 32 whose respective second pole is connected to a workpiece 30 via a respective switching device 33, 34.
  • the back electrode 3 in the welding direction is connected as a cathode and connected to the negative pole of the voltage source 32.
  • Typical values are e.g. a current of about 170A for a time of about 15ms and a break of about 3ms. During this time, the switching device 33 turns on and the connecting to the positive pole of the power source 31 electrode 4 is applied with ca: 250A for about 3ms.
  • each electrode 3 in the receptacle 1 it is also possible to use two electrodes 3 in the receptacle 1 and to each connect them to the minus pole of a DC voltage source 32 and apply them essentially alternately, although overlapping times may also be provided. In this way, since the load of each electrode 3 is correspondingly small, small-diameter electrodes 3 can be used, whereby the receptacle can be made very narrow.
  • the embodiment according to FIG. 10 differs from that according to FIGS. 1 and 2 in that helical ribs 35 are arranged in the chambers 8 which are connected to the gas connections via the gas channels 109, 109 ', between which helically extending channels remain through which the plasma gas flows to the nozzles 9, 9 '.

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Description

    Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem
  • Oberbegriff des Anspruches 1 (siehe, z.B., FR-A-2 229 493).
  • Bei der Schweißung von Leichtmetall und Leichtmetall-Legierungen wird eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art mit lediglich einer stabfömigen Elektrode verwendet. Um eine hohe Schweißgeschwindigkeit bei tiefem Einbrand und schmalen Nähten zu erzielen, wird die stabförmige Elektrode als Kathode geschaltet und als Plasmagas Helium verwendet. Dabei entsteht ein sehr heißes Plasma, das dünne Oxidschichten verdampft. Allerdings ist dies nicht bei allen Leichtmetall-Legierungen der Fall.
  • Um auch solche Legierungen schweißen zu können, wird meist statt mit Gleichstrom mit Wechselstrom geschweißt, oder es wird die Elektrode an den Plus-Pol der Spannungsquelle gelegt. Damit wird zwar eine ständige Beseitigung der Oxidschichten sichergestellt und eine lunkerfreie Schweißverbindung ermöglicht, da die Oxidhaut ständig aufgerissen wird, doch steht diesem Vorteil der Nachteil einer um ca. 2/3 verminderten Schweißgeschwindigleit, verglichen mit einer Gleichstrom/Helium-Schweißung, und eine deutliche Zunahme der Breite der Schweißnähte mit vergrößerter Wärmeeinflußzone gegenüber.
  • In der GB 1 384 730 wird ein Plasmabrenner beschrieben, der über zwei Elektroden verfügt, von der eine Elektrode an den Plus-Pol einer Spannungsquelle gelegt wird, und die zweite Elektrode an den Negativ-Pol einer Spannungsquelle. Allerdings dient die erstere Elektrode lediglich zum Aufbau eines Hilfsbogens der nach Zünden des Hauptbogens wieder erlischt. An diesem Punkt wird die anfängliche Zufuhr von Schutzgas durch die Zufuhr eines Schweißgases ersetzt. Tatsächlich wird somit mit der Apparatur gemäß GB 1 384 730 lediglich mit einer Elektrode geschweißt, nämlich mit der auf negativem Potential gehaltenen Elektrode. Somit ist es mit dieser Apparatur nicht möglich, mit der positiv betriebenen Elektrode Oxidschichten eines Werkstücks aufzureißen und mit der negativen Elektrode sauber und mit großer Eindringtiefe zu schweißen. Vielmehr dient die Apparatur gemäß GB 1 384 730 dazu, eine Schutzgashülle aufzubauen, die in ihrer Zusammensetzung dem Schweißgas entspricht.
  • In der FR 2 229 493 wird ein Plasmaschweißgerät mit zwei Elektroden beschrieben, wobei die in Bewegungsrichtung vorne liegende Elektrode positiv betrieben wird, um Oxidschichten aufzureißen, und die dahinter liegende Elektrode negativ, um die eigentliche Schweißnaht zu erstellen. Die Elektroden sind dabei parallel zueinander angeordnet. Mit einer Vorrichtung, wie sie in der FR 2 229 493 beschrieben wird, werden somit lediglich zwei punktähnliche Schweißbäder erzeugt, wobei sich das von der vorderen Elektrode erzeugte Schweißbad aufgrund des größeren Abstandes der Elektroden bereits abkühlt hat, wenn die zweite Elektrode im Zuge der Vorschubbewegung darauf einwirken kann. Daraus resultiert eine relativ breite Schweißnaht mit geringer Einbrandtiefe bei größerem Wärmeeintrag sowie Energieverbrauch.
  • Die GB 691 373 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung mit zwei Elektroden, die allerdings mit einer Wechselspannung betrieben werden. Die GB 691 373 beschäftigt sich dabei insbesondere mit der Aufgabe, ein Abreißen des Lichtbogens bei den Nulldurchgängen der Wechselspannung zu vermeiden. Hierzu schlägt die GB 691 373 vor, mehrere Elektroden zu verwenden, wobei die jeweils beaufschlagten Spannungen der Elektroden zueinander eine Phasendifferenz aufweisen.
  • Die US 3 931 489 beschäftigt sich mit dem Verschweißen von dünnen Stahlblechen, die durch einen "forming mechanism" zu einem Rohr gebogen werden, dessen aneinanderliegende, longitudinale Kanten in weiterer Folge zu verschweißen sind. Insbesondere stellt sich die US 3 931 489 dem Problem, dass das zum Rohr gebogene Werkstück in jenen Bereichen, in denen bei Verwendung mehrerer Elektroden sich jene Elektrode befindet, die am weitesten vom "forming mechanism" entfernt liegt, bereits starke auffedernde Kräfte aufweist. Daher ist es das Ziel der US 3 931 489, einen Mehrfachschweißkopf so auszuführen, dass man ihn näher an den "forming mechanism" heranführen kann, wo die federnden Kräfte des Stahlblechs noch vergleichsweise gering sind. Ein Hinweis auf die Erzeugung schmaler und glatter Schweißnähte bei gleichzeitiger Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit ist aber auch der US 3 931 489 nicht zu entnehmen.
  • Ziel der Erfindung ist es daher, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die eine hohe Schweißgeschwindigkeit auch bei schwierigen Legierungen ermöglicht und mit der auch sichergestellt werden kann, daß entstehende Oxidschichten entfernt werden.
  • Erfindungsgemäß wird dies bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
  • Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist es möglich, die beiden stabförmigen Elektroden mit unterschiedlichen Polen der Spannungsquellen zu verbinden. Dadurch können mit Plasmaimpulsen, die mit einer mit dem Plus-Pol einer Spannungsquelle verbundenen Elektrode erzeugt werden, die Oxidschichten aufgerissen und mit den nachfolgenden Plasmaimpulsen, die mit der mit dem Minuspol einer Spannungsquelle verbundenen und daher als Kathode geschalteten Elektrode erzeugt werden, das Grundmaterial sauber und mit großer Einbrandtiefe verschweißt werden, wobei sich sehr schmale und glatte Nähte ergeben. Dabei kann mit einer sehr hohen Schweißgeschwindigleit gearbeitet werden. Durch die Verriegelung der Schalteinrichtungen, die jeweils nur Spannungsimpulse von ca. 1 bis 5 Millisekunden zulassen, ist sichergestellt, daß nur jeweils eine Elektrode beaufschlagt werden kann.
  • Als Gegenelektrode kann zweckmäßigerweise das zu bearbeitende Werkstück geschaltet werden, doch ist es auch möglich, die Düse, bzw. den jeweiligen Düsenkörper, aus einem elektrisch leitenden Material herzustellen und als Gegenelektrode zu schalten.
  • Bei leichter schweißbaren Legierungen können auch beide Elektroden als Kathoden geschaltet werden. In diesem Fall ergibt sich der Vorteil, daß die erforderliche Schweißenergie auf beide Elektroden aufgeteilt werden kann und diese daher dünner ausgebildet werden können. Dies ermöglicht die Herstellung sehr schmaler Aufnahmen von z.B. nur 9mm Breite. Mit solchen Einrichtungen kann daher auch in nur schwer zugänglichen Eckbereichen von Werkstücken geschweißt werden, was die konstruktive Auslegung solcher Teile wesentlich erleichtert.
  • Aufgrund der beiden getrennten Spannungsquellen können diese auch im Hinblick auf die Impulslänge und Impulsleistung getrennt gesteuert werden, wodurch eine sehr weitgehende Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse möglich ist.
  • Die Zündung eines jeden Plasmabogens kann mittels eines Hochfrequenzimpulses erfolgen, wenn die Höhe der Spannung der einzelnen Spannungsimpulse die jeweilige Durchschlagsspannung der Strecke zwischen der Elektrode und ihrer jeweiligen Gegenelektrode nicht übersteigt. Die Zündung kann aber auch durch entsprechend hohe, die jeweilige Durchschlagsspannung übersteigende Spannungsimpulse selbst ausgelöst werden.
  • Sehr günstige Verhältnisse für das Schweißen sehr schwieriger Legierungen ergeben sich durch die Merkmale des Anspruches 3, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, auch die Merkmale des Anspruches 2 vorzusehen, wobei die als Kathode geschaltete Elektrode vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zum Werkstück steht.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 4 kann der Verschleiß der mit dem Plus-Pol verbundenen Elektrode, die höher beansprucht wird, relativ gering gehalten werden.
  • Die Merkmale des Anspruches 5 ermöglichen einen einfachen Aufbau der Aufnahme, wobei aber sichergestellt ist, daß die höher belastete Elektrode entsprechend gut gekühlt wird.
  • Durch Maßnahmen gemäß dem Anspruch 6 kann eine Ionisierung des aus der Düse ausströmenden Plasmagases im Bereich zwischen der Elektrode und der Düse aufgrund eines HF-Überschlages erreicht und damit die Zündung eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und dem Werkstück aufgrund der angelegten Gleichspannung erreicht werden. Dabei ergibt sich auch eine sehr weitgehende Schonung des Plasmabrenners, da dieser nicht von dem sonst üblichen Pilotlichtbogen belastet ist.
  • Durch die Ionisierung aufgrund des HF-Überschlages, der die Düse thermisch nur sehr wenig beansprucht, ist es auch bei Verwendung von Helium als Plasmagas möglich, selbst über größere Abstände zwischen der Elektrode und dem Werkstück von z.B. 10mm problemlos zu zünden.
  • Die Verwendung einer aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellten Düse und deren Verbindung über einen hochohmigen elektrischen Widerstand mit dem mit dem Werkstück verbundenen Pol der Spannungsquelle ist auch bei erfindungsgemäßen Einrichtungen von Vorteil, bei denen der Pluspol der Spannungsquelle mit der die Düse durchsetzenden Elektrode verbunden ist.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 8 kann eine solche Einrichtung sehr universell eingesetzt werden.
  • Die Merkmale des Anspruches 9 und 11 bewirken eine Einschnürung des Plasmas, bzw. vermeiden eine Aufweitung desselben aufgrund der Reibung des Plasmas an der Luft, das mit hoher Geschwindigkeit austritt, sodaß eine sehr hohe Konzentration der Energie erreicht wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch die Einrichtung nach der Fig. 1,
    • Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
    • Fig. 4 eine Draufsicht auf die Einrichtung nach der Fig. 3,
    • Fig. 5 und 6 eine Einrichtung nach den Fig. 3 und 4 mit Versorgungsteil, teilweise geschnitten, in Ansicht und Draufsicht,
    • Fig. 7 ein Detail des Düsenbereichs,
    • Fig. 8 schematisch die elektrische Versorgung der Einrichtung,
    • Fig. 9 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Spannungsbeaufschlagung der Elektroden einer erfindungsgemäßen Einrichtung und
    • Fig. 10 ein Variante der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 im Schnitt.
  • Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist eine Aufnahme 1 vorgesehen, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. In dieser Aufnahme 1 sind zwei Halter 2, an deren unteren Enden Elektroden 3, 4 aus einem temperaturbeständigen Material, wie z.B. Wolfram, eingesetzt.
  • Die Halter 2 sind aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellt und sind mit einer zentralen Bohrung 5 versehen, die im oberen und unteren Bereich über radiale Bohrungen 6 mit Kammern 7, 8 verbunden sind, von denen die Kammern 7 mit je einem Gaskanal 109, 109', über die Plasmagas getrennt zugeführt wird, verbunden sind, und die Kammern 8 mit je einer Ausströmdüse 9 9' verbunden sind.
  • Diese Düsen 9, 9' weisen kegelige Innenwände auf, wobei die Innenwand der Düse 9 im wesentlichen parallel zum kegeligen Endbereich der Elektrode 3 verläuft, wobei das freie Ende der Elektrode 3 abgeflacht sein kann. Die Elektrode 4 ist im Gegensatz zur Elektrode 3 im wesentlichen stumpf ausgebildet.
  • Weiters ist in der Aufnahme 1 ein Kühlkanal 10 vorgesehen, der von einem Zulauf 11 zu einem vom Halter 2 der Elektrode 4 durchsetzten Ringraum 12 und von diesem, aufgeteilt in zwei Zweigkanäle (Fig. 2) zu einem weiteren vom Halter 2 der Elektrode 3 durchsetzten Ringraum 13 und von diesem zu einem Auslauf 14 führt.
  • Der elektrische Anschluß der beiden Elektroden 3, 4, bzw. deren Halter 2 kann über Schraubkappen 15, oder falls die Gaskanäle 109, 109' elektrisch leitende Wände aufweisen, über diese erfolgen. Im letzteren Fall kann der Anschluß über Anschlußnippel, über die Gas zugeführt wird, erfolgen.
  • Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist zwischen den Düsen 9, 9' eine rohrförmige Führung 16 vorgesehen, die zur Führung eines als Zusatzmaterial dienenden Drahtes vorgesehen ist. Dabei ist die Führung 16 ausgekröpft.
  • Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, kann die Aufnahme 1 sehr schmal ausgebildet werden.
  • Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 und 2 verläuft die Elektrode 3 in der Gebrauchslage der Aufnahme 1 im wesentlichen vertikal und die Elektrode 4 schließt mit dieser einen spitzen Winkel ein der in der Regel 20° bis 70° betragen kann.
  • Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4, sind zwei gleiche Elektroden 3 vorgesehen, die beide einen Winkel mit der Vertikalen einschließen.
  • Wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist, weist die Aufnahme 1 flanschartige Fortsätze 16 auf, die von Schrauben 17 durchsetzt sind, mit denen die Aufnahme 1 an einem Anschlußkopf 18 befestigt werden kann, wobei die Schrauben 17 in Gewindebohrungen 19 des Anschlußkopfes 18 eingreifen.
  • In diesem Anschlußkopf 18 sind federbelastete Anschlußnippel 20 axial verschiebbar gehalten, an denen eine Wasserzuleitung 21 und eine Wasserableitung 22 zur Zu- und Abfuhr von Kühlwasser angeschlossen sind, wobei diese federbelasteten Anschlußnippel 20 bei angeschlossener Aufnahme 1 in den Zu- bzw. Auslauf 11, 14 derselben eingreifen. Weiters sind in diesem Anschlußkopf 18 feststehende Anschlußnippel 23 vorgesehen, an denen Plasmagas, z.B. Helium, führende Gasleitungen 24 angeschlossen sind. Die feststehenden Anschlußnippel 23 greifen bei angeschlossener Aufnahme 1 in die Einlässe 25 der Gaskanäle 109, 109' der Aufnahme 1 ein. Dabei sind, wie auch beim Zu- und Auslauf 11, 14 in den Einlässen 25 O-Ringe zur Abdichtung eingesetzt.
  • Weiters ist in dem Anschlußkopf 18 ein außermittig angeordneter Stift 26 gehalten, der in eine entsprechende Bohrung 27 einer Aufnahme 1 eingreift. Dadurch ist sichergestellt, daß ein Anschluß einer Aufnahme 1 an den Anschlußkopf nur in einer bestimmten Lage, in der eben eine richtige Durchströmung der Gas- und Kühlkanäle gegebenen ist, möglich ist.
  • An den Anschlußkopf 18 können mit verschiedenen Elektroden 3, 4 bestückte Aufnahmen 1 angeschlossen werden, wobei ein solcher Wechsel sehr einfach durchgeführt werden kann.
  • Die Fig. 7 zeigt ein Detail des Düsenkörpers 9 für eine Elektrode 3, die ein kegeliges, bzw. im wesentlichen kegelstumpfförmiges Ende aufweist. Dabei verläuft die Innenwand 27 des Düsenkörpers 9 im wesentlichen parallel zum kegeligen Ende der Elektrode 3. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß das Plasmagas schräg gegen die Achse der Düse 9 gerichtet austritt und daher der Tendenz des austretenden Plasmas sich mit größer werdender Entfernung von der Mündung der Düse 9 aufgrund der Reibung an der Umgebungsluft aufzuweiten entgegengewirkt wird und sich daher auf einem zu bearbeitenden Werkstück in erwünschter Weise ein nur kleiner Brennfleck ergibt.
  • Dabei sind in dem Düsenkörper 9 dessen kegelige Düsenbohrung 28 umgebende Kaltgaskanäle 29 vorgesehen, die gleichmäßig verteilt um die Düsenbohrung 28 konzentrisch angeordnet sind. Dabei bilden die Achsen dieser Kaltgaskanäle 29, von denen meist eine ungerade Zahl, z.B. 3, 5 oder 7 vorgesehen sind, Erzeugende einer Kegelfläche, deren Achse konzentrisch zur Achse der Düsenbohrung 28 liegt. Diese Kaltgaskanäle sind zur Kammer 8 hin offen und münden an der Stirnfläche des Düsenkörpers 9.
  • Das diese Kaltgaskanäle durchströmende Plasmagas bewirkt einerseits eine Kühlung des Düsenkörpers 9 und bewirkt eine weitere Einschnürung des aus der Düse 9 austretenden Plasmas und damit eine Verkleinerung des Brennflecks und somit eine Erhöhung der Energiekonzentration in diesem. Die Versorgung der Kammer 8 mit Plasmagas erfolgt über einen Gaskanal 109, 109', die oberen radialen Bohrungen 6 des Halters 2, dessen zentrale Bohrung 5 und die unteren radialen Bohrungen 6.
  • Die Fig. 8 zeigt schematisch den Anschluß der erfindungsgemäßen Einrichtung. Dabei sind die Elektroden 3, 4 mit je einem Pol je einer Spannungsquelle 31, 32 angeschlossen, deren jeweils zweiter Pol über je eine Schalteinrichtung 33, 34 mit einem Werkstück 30 verbunden ist.
  • Dabei sind die beiden Schalteinrichtungen 33, 34 gegeneinander verriegelt, sodaß jeweils nur eine Schalteinrichtung 33 oder 34 durchgeschaltet sein kann. Dabei sind für die beiden Schalteinrichtungen 33, 34 nur kurze Durchschaltzeiten vorgesehen, sodaß die Elektroden 3, 4 nur impulsweise beaufschlagt werden.
  • Für viele Anwendungen ist die in Schweißrichtung hinten liegende Elektrode 3 als Kathode geschaltet und mit dem Minus-Pol der Spannungsquelle 32 verbunden.
  • Typische Werte sind dabei z.B. eine Strombeaufschlagung von ca. 170A für eine Zeit von jeweils ca. 15ms und eine Pause von ca. 3ms. Während dieser Zeit schaltet die Schalteinrichtung 33 durch und die mit dem Plus-Pol der Stromquelle 31 verbindende Elektrode 4 wird mit ca: 250A für ca. 3ms beaufschlagt.
  • Bei einer solchen Betriebsweise können auch schwierig zu schweißende Legierungen sehr gut und rasch geschweißt werden, da durch die Beaufschlagung der Elektrode 4 die dadurch entstehenden Plasmaimpulse allfällige Oxidhäute sicher aufreißen und mit den nachfolgenden, durch die Beaufschlagung der Elektrode 3 bewirkten Plasmaimpulse das Grundmaterial sehr gut verschweißt werden kann.
  • Für bestimmte Anwendungen ist es auch möglich in die Aufnahme 1 zwei Elektroden 3 einzusetzen und beide mit dem Minus-Pol je einer Gleichspannungsquelle 32 zu verbinden und diese im wesentlichen abwechselnd zu beaufschlagen, wobei jedoch auch Überlappungszeiten vorgesehen sein können. Da auf diese Weise die Belastung einer jeden Elektrode 3 entsprechend gering ist, können Elektroden 3 mit kleinem Durchmesser verwendet werden, wodurch die Aufnahme sehr schmal gebaut werden kann.
  • Die Ausführungsform nach der Fig. 10 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 und 2 dadurch, dass in den über die Gaskanäle 109, 109' mit den Gasanschlüssen in Verbindung stehenden Kammern 8 schraubenlinienförmige Rippen 35 angeordnet sind, zwischen denen schraubenlinienförmig verlaufende Kanäle verbleiben, über die das Plasmagas zu den Düsen 9, 9' strömt.
  • Dadurch wird diesem ein Drall aufgezwungen, der zu einer Stabilisierung des aus den Düsen 9, 9' mit hoher Geschwindigkeit austretenden Plasmas führt, wodurch eine Aufweitung des Plasmas aufgrund der Reibung an der im wesentlichen stehenden Luft weitgehend vermieden wird und sich auf dem zu bearbeitenden Werkstück 30 ein sehr kleiner Brennfleck mit hoher energiedichte ergibt.

Claims (12)

  1. Einrichtung mit zwei Gleichspannungsimpulse hefeunden Spannungsquellen (31, 32) und einem Plasmabrenner mit zwei in einer Aufnahme (1) gehaltenen und mit einem elektrischen Anschluß verbundenen stabförmigen, nicht verzehrenden Elektroden (3, 4), denen jeweils eine Gegenelektrode zugeordnet ist, sowie einer mit einem Gasanschluß in Verbindung stehenden Düse (9), wobei jede der Elektroden (3, 4) mit einer eigenen, Gleichspannungsimpulse liefernden Spannungsquelle (31, 32) verbunden ist, indem eine Elektrode (3) mit dem Minuspol ihrer Spannungsquelle (32) verbunden ist, und die andere Elektrode (4) mit dem Pluspol ihrer Spannungsquelle (31), und der jeweils andere Pol der Spannungsquellen (31, 32) mit der jeweiligen Gegenelektrode verbunden ist, wobei die Höhe der Gleichspannungsimpulse zumindest die Brennspannung eines Lichtbogens zwischen jeweils einer Elektrode (3, 4) und der dieser zugeordneten, mit der selben Spannungsquelle (31, 32) verbundenen Gegenelektrode übersteigt, wobei die Spannungsversorgung bei unterschiedlicher Polung der beiden Elektroden (3, 4) über gegeneinander verriegelte Schalteinrichtuhgen (S1, S2) erfolgt, die eine gleichzeitige Spannungsbeaufschlagung der beiden stabförmigen Elektroden (3, 4) unterbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (1) aus aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt ist, und die beiden Elektroden (3, 4) aus der Düse (9, 9') vorragen sowie einen spitzen Winkel einschließen.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden stabförmigen Elektroden (3, 4) einen Winkel von 20° bis 70°, vorzugsweise 30° einschließen.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Pol einer jeden Spannungsquelle (31, 32) an einem zu bearbeitenden Werkstück (30) anschließbar ist, und die beiden stabförmigen Elektroden (3, 4) an unterschiedlichen Polen der beiden Spannungsquellen (31, 32) angeschlossen sind, wobei die mit einem Plus-Pol verbundene Elektrode (4) in Schweißrichtung vorne liegt.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Plus-Pol verbundene Elektrode (4) im Bereich ihres aus der Düse (9') vorragenden freien Endes im wesentlichen stumpf ausgebildet ist, wogegen die mit einem Minus-Pol verbundene Elektrode (3) im Bereich ihres freien Endes im wesentlichen kegelförmig ausgebildet ist.
  5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aufnahme (1) ein Kühlkanal (10) vorgesehen ist, der in der Aufnahme (1) angeordnete und von den stabförmigen Elektroden (3, 4) oder deren Halter (2) durchsetzte Kammern (8) miteinander in Reihe und mit einem Zulauf (11) und einem Ablauf (14) verbindet, wobei jene Kammer (8), die von der mit einem Plus-Pol verbundenen Elektrode (4) durchsetzt ist, mit dem Zulauf (11) verbunden ist.
  6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jene Düse (9), die von einer mit dem Minus-Pol der jeweiligen Spannungsquelle (32) verbundenen Elektrode (3) durchsetzt ist, aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellt und über einen hochohmigen elektrischen Widerstand (1R2) im Bereich von 103 bis 106 Ohm, vorzugsweise 105 Ohm, mit dem mit dem Werkstück (30) verbundenen Pol der Spannungsquelle (32) verbunden ist.
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jene Düse (9), die von einer mit dem Plus-Pol der jeweiligen Spannungsquelle (32) verbundenen Elektrode (3) durchsetzt ist, aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellt und über einen hochohmigen elektrischen Widerstand (1R2) im Bereich von 103 bis 106 Ohm, vorzugsweise 105 Ohm, mit dem mit dem Werkstück (30) verbundenen Pol der Spannungsquelle (32) verbunden ist.
  8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aufnahme (1) zwischen den von den stabförmigen Elektroden (3, 4) durchsetzten Düsen (9, 9') eine Führung (16) für einen als Zusatzmaterial dienenden Draht vorgesehen ist.
  9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Minus-Pol einer Spannungsquelle (32) verbundene Elektrode (3) eine konische Düse (9) mit ihrem kegeligen freien Endbereich durchsetzt, wobei die Kegelflächen der Düse (9) und der Elektrode (3) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und einen Kegelwinkel von ca. 20° aufweisen.
  10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Plus-Pol einer Spannungsquelle (31) verbundene Elektrode (4) eine im wesentlichen zylindrische Düse (9') durchsetzt und zwischen deren Innenwand und der Elektrode (4) ein im wesentlichen konstanter Ringspalt verbleibt.
  11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper der Düsen (9) mit dem jeweiligen Gasanschluß in Verbindung stehende Kaltgaskanäle (29) aufweisen, die konzentrisch zur Achse der Düsenbohrung (2) und gleichmäßig um diese verteilt angeordnet sind und an der freien Stirnseite der Düse (9) offen sind, wobei die Achsen dieser Kaltgaskanäle (29) Erzeugende einer Kegelfläche bilden, deren Spitze vor dem freien ende der Elektrode (3) liegt.
  12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einer mit einem Gasanschluß in Verbindung stehenden und von einer Elektrode (3, 4), bzw. deren Halter (2) durchsetzten Kammer (8) schraubenlinienförmig verlaufende Rippen (30) angeordnet sind, die schraubenlinienförmige Kanäle definieren.
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