EP1616464A1 - Düse für plasmabrenner - Google Patents

Düse für plasmabrenner

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EP1616464A1
EP1616464A1 EP04728515A EP04728515A EP1616464A1 EP 1616464 A1 EP1616464 A1 EP 1616464A1 EP 04728515 A EP04728515 A EP 04728515A EP 04728515 A EP04728515 A EP 04728515A EP 1616464 A1 EP1616464 A1 EP 1616464A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
microparticles
embedded
nozzle according
metal
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EP04728515A
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Volker Krink
Frank Laurisch
Gerd Lotze
Thomas WEISSGÄRBER
Kerstin KÜMMEL
Wolfram MÖHLER
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Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Kjellberg Finsterwalde Elektroden and Maschinen GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • 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
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
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    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3457—Nozzle protection devices

Definitions

  • the invention relates to a nozzle for plasma torches and a method for producing such nozzles.
  • a nozzle essentially consists of a metal or a metal alloy with an increased thermal conductivity.
  • a nozzle of a plasma torch is usually cooled. It can be used for plasma welding and preferably for plasma cutting.
  • Plasma torches are known to have two extremely stressed elements. These are, on the one hand, the electrode connected as a cathode, which is arranged inside a plasma torch, and, on the other hand, the corresponding nozzle through which the plasma jet is directed onto the respective workpiece surface.
  • the nozzle of such plasma torches is also passed through the very high temperatures and additionally by the flow kinetics of the hot plasma jet exiting through the nozzle opening and having a high flow velocity are considerably burdened.
  • these influences which may be increased by plasma pressure fluctuations, metallic nozzle material is removed, and delamination, crater formation or chipping are often unavoidable.
  • the conventional nozzles used on plasma torches also have a relatively short service life and therefore have to be replaced regularly, so that the wear-related replacement of nozzles represents a cost factor for such systems.
  • this object is achieved with a nozzle for plasma torches, which has the features of claim 1 and a manufacturing method for such nozzles according to claim 13.
  • the nozzles for plasma torches according to the invention essentially consist of metal or a metal alloy, preferably copper or a copper alloy.
  • wear-resistant microparticles of a hard material are at least partially embedded in the metal or the metal alloy. The strength can be increased as a result of the embedded microparticles, but at the same time the thermal conductivity, which is a prerequisite for effective cooling of the nozzles according to the invention, is reduced only to a negligible extent.
  • microparticles embedded in the metal matrix should not exceed a maximum grain size of 30 ⁇ m, preferably 15 ⁇ m. Microparticles whose grain size is in the nanometer range can also be embedded, so that the term microparticle chosen for the invention is also intended to include a grain size range between 0.01 to 30 ⁇ m.
  • Microparticles with an almost constant grain size can have been embedded in the metal or metal alloy, from which the actual nozzle for plasma torches essentially consists.
  • microparticles can also be embedded within a predeterminable grain size spectrum, the mean grain size d 50 of such a grain size spectrum then being around a grain size in the range between 1 and 5 ⁇ m. Particles that are smaller than 1 ⁇ m (up to 0.01 ⁇ m) can be embedded.
  • microparticles to be embedded according to the invention should consist of a ceramic hard material.
  • Carbides and here again silicon carbide or boron carbide, have proven particularly suitable. provides.
  • the carbides in particular reduce the thermal conductivity of the nozzle material only slightly and can also be used inexpensively.
  • microparticles from at least two of the chemical compounds described above into the metal forming the nozzle or the metal alloy, so that, if necessary, optimization can be achieved with regard to the achievable strength, wear resistance and the desired thermal conductivity.
  • microparticles to be embedded according to the invention can be arranged distributed within the total volume of a nozzle.
  • microparticles can be embedded in the area facing the inside of the nozzle, so that the thermal and flow kinetic influences can be better controlled there.
  • locally differentiated embedding of microparticles can also be set, with certain volume ranges being free of microparticles are. This can be achieved, for example, by embedding microparticles in the form of strips, spirals or rings, whereby several such strips, spirals or rings separated from one another can also be formed.
  • the embedded microparticles should fill a volume fraction of 0.5 to a maximum of 15% of the total volume of a nozzle according to the invention. However, a maximum volume share of 10% can be sufficient to achieve the desired effects.
  • the nozzles for plasma torches according to the invention can advantageously be produced in such a way that a powder mixture of the metal or metal alloy used, preferably copper or copper alloy with the respective microparticles, is subjected to a preferably hydrostatic extrusion process.
  • At least a fully or hollow cylindrical shape can be formed and a sufficient density of the nozzle material can be achieved.
  • the final nozzle contour can also be formed exclusively by a forming process, without machining.
  • powdery electrolytic copper was mixed intensively with 4% by mass of silicon carbide powder.
  • a cylinder with an outer diameter of approximately 20 mm and a length of 250 mm was produced from the powder mixture by cold isostatic pressing.
  • This cylindrical insert was inserted into a copper cylinder with a corresponding inner bore, which had an outer diameter of 80 mm.
  • the outer diameter was then reduced to 23 mm by extrusion.
  • the cylindrical body obtained in this way had a core area with a diameter of 3.8 mm, in which the silicon particles are embedded.

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Description

Düse für Plasmabrenner
Die Erfindung betrifft eine Düse für Plasmabrenner sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Düsen. Dabei besteht eine solche Düse im Wesentlichen aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit. Außerdem wird eine solche Düse eines Plasmabrenners üblicherweise gekühlt. Sie kann zum Plasmaschweißen und bevorzugt zum Plas- maschneiden eingesetzt werden.
Plasmabrenner weisen bekanntermaßen zwei extrem belastete Elemente auf. Dies sind zum einen die als Kathode geschaltete Elektrode, die im Inneren eines Plasmabrenners angeordnet ist und zum anderen die entsprechende Düse, durch die der Plasmastrahl auf die jeweilige Werkstückoberfläche gerichtet wird.
Dabei wird auch die Düse solcher Plasmabrenner durch die sehr hohen Temperaturen und zusätzlich durch die Strömungskinetik des durch die Düsenöffnung austretenden heißen und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden Plasmastrahls in erheblichem Maße belastet. Infolge dieser Einflüsse, die gegebenenfalls noch durch Plasmadruckschwankungen erhöht werden, kommt es zum Abtrag von metallischem Düsenwerkstoff, wobei auch eine Delamination, eine Kraterbildung oder ein Abplatzen häufig nicht zu vermeiden sind.
Dementsprechend weisen auch die herkömmlichen an Plasmabrennern eingesetzten Düsen eine relativ kurze Lebensdauer auf und müssen demzufolge regelmäßig ausgetauscht werden, so dass der verschleißbedingte Aus- tausch von Düsen einen Kostenfaktor für solche Anlagen darstellt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten vorzuschlagen, um die Lebensdauer von Düsen für Plas- mabrenner zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Düse für Plasmabrenner, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist und einem Herstellungsverfahren für solche Dü- sen gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäßen Düsen für Plasmabrenner bestehen im Wesentlichen aus Metall oder einer Metall- Legierung, bevorzugt Kupfer oder einer Kupfer- Legierung. Zusätzlich sind jedoch zumindest bereichs- weise verschleißfeste Mikropartikel eines Hartstoffes in das Metall bzw. die Metall-Legierung eingebettet. Infolge der eingebetteten Mikropartikel kann die Festigkeit erhöht werden und gleichzeitig wird aber die Wärmeleitfähigkeit, die Voraussetzung für eine effek- tive Kühlung erfindungsgemäßer Düsen ist, nur im vernachlässigbarem Maß reduziert.
Die in die Metallmatrix eingebetteten Mikropartikel sollten eine maximale Korngröße von 30 μm, bevorzugt von 15 μm nicht überschreiten. Dabei können auch Mikropartikel eingebettet sein, deren Korngröße im Nano- meterbereich liegt, so dass der gewählte Begriff Mikropartikel für die Erfindung auch einen Korngrößenbereich zwischen 0,01 bis 30 μm umfassen soll.
In das Metall oder die Metall-Legierung, aus der die eigentliche Düse für Plasmabrenner im Wesentlichen besteht, können Mikropartikel mit nahezu konstanter Korngröße eingebettet worden sein.
Es können aber auch Mikropartikel innerhalb eines vorgebbaren Korngrößenspektrums eingebettet werden, wobei die mittlere Korngröße d50 eines solchen Korngrößenspektrums dann um eine Korngröße im Bereich zwischen 1 und 5 μm liegen sollte. So können Partikel, die auch kleiner als 1 μm (bis zu 0,01μm) sind, eingebettet sein.
Die erfindungsgemäß einzubettenden Mikropartikel sollten aus einem keramischen Hartstoff bestehen.
Hierfür geeignet sind unterschiedliche Oxide, Karbide, Nitride oder auch Boride.
Als besonders geeignet haben sich Karbide und hier wiederum Siliziumkarbid oder auch Borkarbid herausge- stellt. Insbesondere die bezeichneten Karbide reduzieren die Wärmeleitfähigkeit des Düsenwerkstoffes nur geringfügig und sind außerdem noch kostengünstig einsetzbar .
Es besteht aber auch die Möglichkeit, Mikropartikel aus mindestens zwei der vorab bezeichneten chemischen Verbindungen in das die Düse bildende Metall bzw. die Metall -Legierung einzubetten, so dass gegebenenfalls eine Optimierung bezüglich der erreichbaren Festigkeit, Verschleißfestigkeit und des gewünschten Wärmeleitvermögens erreicht werden kann.
Die erfindungsgemäß einzubettenden Mikropartikel kön- nen innerhalb des Gesamtvolumens einer Düse verteilt angeordnet sein.
Dies ist aber unter Berücksichtigung der erwähnten Verschleißeinflüsse nicht unbedingt erforderlich, so dass die Einbettung von Mikropartikeln auch lokal differenziert erfolgen kann und dabei die entsprechend herrschenden Verfahrensbedingungen bei der Plasmabearbeitung in bzw. an der Düse berücksichtigt werden können.
So können Mikropartikel im in das Innere der Düse weisenden Bereich eingebettet sein, so dass die thermischen und strδmungskinetischen Einflüsse dort besser beherrschbar sind.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, Mikropartikel lediglich im Bereich der Düsenöffnung einzubetten.
Des Weiteren kann aber auch eine lokal differenzierte Einbettung von Mikropartikeln eingestellt werden, wobei bestimmte Volumenbereiche frei von Mikropartikeln sind. Dies kann beispielsweise mittels einer strei- fenfδrmigen, spiralförmigen oder kreisringförmigen Einbettung von Mikropartikeln realisiert werden, wobei auch mehrere solcher voneinander getrennten Streifen, Spiralen oder Ringe ausgebildet werden können.
Die eingebetteten Mikropartikel sollten am Gesamtvolumen einer erfindungsgemäßen Düse einen Volumenan- teil von 0,5 bis maximal 15% ausfüllen. Ein Volumenanteil von maximal 10% kann aber ausreichen, um die gewünschten Effekte zu erreichen.
Die erfindungsgemäßen Düsen für Plasmabrenner können vorteilhaft so hergestellt werden, dass eine Pulvermischung des eingesetzten Metalls oder der eingesetzten Metall-Legierung, bevorzugt Kupfer oder Kupfer- Legierung mit den jeweiligen Mikropartikel einem, bevorzugt hydrostatischen Strangpressverfahren unterzo- gen wird.
Hierbei kann zumindest eine voll- oder hohlzylindri- sche Gestalt ausgebildet und eine ausreichende Dichte des Düsenwerkstoffes erreicht werden.
Im Nachgang besteht die Möglichkeit die letztendliche Düsenkontur durch spanende Bearbeitung allein oder in Kombination mit einer Umformung auszubilden. Die Endkontur kann aber auch unter Verzicht auf eine spanen- de Bearbeitung ausschließlich durch ein Umformverfahren ausgebildet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
Für die Herstellung eines Beispiels einer erfindungs- gemäßen Düse wurden pulverförmiges Elektrolytkupfer mit 4 Masse-% Siliziumkarbidpulver intensiv vermischt. Das Siliziumkarbidpulver hatte eine mittlere Korngröße d50 = 12 μm. Aus der Pulvermischung wurde durch kaltisostatisches Pressen ein Zylinder mit einem Außendurchmesser von ca. 20 mm und einer Länge von 250 mm hergestellt.
Durch spanende Bearbeitung wurden eine glatte Ober- fläche und ein Außendurchmesser von 15 mm erhalten.
Dieser zylindrische Einsatz wurde in einen Kupferzylinder mit einer entsprechenden Innenbohrung eingesetzt, der einen Außendurchmesser von 80 mm auf ies.
Anschließend wurde der Außendurchmesser durch Strangpressen auf 23 mm reduziert. Der so erhaltene zylin- derförmige Körper wies einen Kernbereich mit einem Durchmesser von 3,8 mm auf, in dem die Siliziumparti - kel eingebettet sind.
Mit einer daraus hergestellten Düse für einen Plasmabrenner wurde bei einem Vergleich mit einer herkömmlichen Düse, beim Plasmaschneiden von Baustahl, mit Sauerstoff als Plasmagas und bei einer elektrischen Stromstärke von 150 A, eine um 30 % erhöhte Lebensdauer erreich .

Claims

Patentansprüche
1. Düse für Plasmabrenner, bestehend aus einem Metall oder einer Metall-Legierung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in das Metall oder die Metall-Legierung zumindest bereichsweise verschleißfeste Mikropartikel eines Hartstoffes eingebettet sind.
2. Düse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Korngröße der eingebetteten Mikropartikel ≤ 30 μm ist .
3. Düse nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Korn- große der eingebetteten Mikropartikel ≤ 15 μm ist.
4. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff ein Karbid ist.
5. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff Siliziumkarbid ist.
6. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Hartstoff für die Mikropartikel ein Oxid, ein
Karbid, ein Nitrid, ein Borid ist oder Mikropartikel von mindestens zwei dieser chemischen Verbindungen eingebettet sind.
7. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikropartikel in einem Korngrößenspektrum um eine mittlere Korngröße d50, die im Bereich zwischen 1 und 5 μm liegt, eingebettet sind.
8. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Mikropartikel einen Volumenanteil im Bereich zwischen 0,5 bis 15% im Düsenwerkstoff ausfüllen.
9. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropartikel im in das Innere der Düse weisenden Bereich ein- gebettet sind.
10. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikropartikel im Bereich der Düsenδffnung eingebettet sind.
11. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikropartikel lokal differenziert eingebettet sind.
12. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse im Wesentlichen aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung gebildet ist.
13. Verfahren zur Herstellung einer Düse für Plasmaschneidbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Düse aus einer Mikropartikel enthaltenden Metall- oder Metall-Legierungspulvermischung durch Strangpressen hergestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Endkontur der Düse durch eine spanende Bearbeitung und/oder eine Umformung ausgebildet wird.
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