EP1616464B1 - Düse für plasmabrenner - Google Patents

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EP1616464B1
EP1616464B1 EP04728515A EP04728515A EP1616464B1 EP 1616464 B1 EP1616464 B1 EP 1616464B1 EP 04728515 A EP04728515 A EP 04728515A EP 04728515 A EP04728515 A EP 04728515A EP 1616464 B1 EP1616464 B1 EP 1616464B1
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EP
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nozzle
microparticles
embedded
metal
nozzle according
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EP04728515A
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EP1616464A1 (de
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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 Plasma und Maschinen GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • 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
    • H05H1/34—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 for plasma torches and a method for producing such nozzles.
  • such a nozzle consists essentially of a metal or a metal alloy having an increased thermal conductivity.
  • such 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 loaded elements. These are on the one hand the electrode connected as 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 torch is through the very high temperatures and additionally burdened by the flow kinetics of emerging through the nozzle opening hot and a high flow velocity plasma jet to a considerable extent.
  • these influences which are possibly increased by plasma pressure fluctuations, there is the removal of metallic nozzle material, with a delamination, cratering or spalling are often unavoidable.
  • this object is achieved with a nozzle for plasma torch having the features of claim 1 and a manufacturing method for such nozzles according to claim 13.
  • the nozzle for plasma torch invention consist essentially 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 metal alloy.
  • the strength can be increased and at the same time, however, the thermal conductivity, which is a prerequisite for effective cooling of nozzles according to the invention, is reduced only to a negligible extent.
  • microparticles should not exceed a maximum particle size of 30 microns, preferably of 15 microns.
  • microparticles may be embedded whose particle size is in the nanometer range, so that the term selected microparticles for the invention should also include a particle size range between 0.01 to 30 microns.
  • Microparticles of nearly constant grain size may have been embedded in the metal or metal alloy that essentially constitutes the actual nozzle for plasma torches.
  • microparticles it is also possible for microparticles to be embedded within a predefinable particle size spectrum, with the average particle size d 50 of such a particle size spectrum then being around a particle size in the range between 1 and 5 ⁇ m. For example, particles 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.
  • Suitable for this are different oxides, carbides, nitrides or borides.
  • carbides and here again silicon carbide or boron carbide have been found.
  • the designated carbides reduce the thermal conductivity of the nozzle material only slightly and are also still inexpensive to use.
  • microparticles of at least two of the above-described chemical compounds in the nozzle forming metal or the metal alloy, so that optionally an optimization with respect to the achievable strength, wear resistance and the desired thermal conductivity can be achieved.
  • microparticles to be embedded according to the invention can be distributed within the total volume of a nozzle.
  • microparticles can be embedded in the region pointing into the interior of the nozzle, so that the thermal and flow-kinetic influences can be better controlled there.
  • microparticles only in the region of the nozzle opening.
  • a locally differentiated embedding of microparticles can also be set, with certain volume areas being free of microparticles are. This can be realized, for example, by means of a strip-shaped, spiral-shaped or annular embedding of microparticles, whereby a plurality of such separate strips, spirals or rings can 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 volume fraction of at most 10% may be sufficient to achieve the desired effects.
  • the nozzle for plasma torch according to the invention can be advantageously prepared so that a powder mixture of the metal used or the metal alloy used, preferably copper or copper alloy with the respective microparticles a preferably hydrostatic extrusion process is subjected.
  • At least one 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 by dispensing with a machining exclusively by a forming process.
  • powdered electrolytic copper was intimately mixed with 4% by mass of silicon carbide powder.
  • a cylinder with an outer diameter of about 20 mm and a length of 250 mm was prepared by cold isostatic pressing.
  • This cylindrical insert was inserted into a copper cylinder with a corresponding inner bore having an outer diameter of 80 mm.
  • the cylindrical body thus obtained had a core region with a diameter of 3.8 mm, in which the silicon particles are embedded.

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Description

  • 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 Plasmaschneiden 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 Austausch von Düsen einen Kostenfaktor für solche Anlagen darstellt. Eine Lösung zum Erhöhen der Lebensdauer ist in EP-A2-194634 vorgeschlagen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten vorzuschlagen, um die Lebensdauer von Düsen für Plasmabrenner zu erhöhen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Düse für Plasmabrenner, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist und einem Herstellungsverfahren für solche Düsen 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 bereichsweise 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 effektive 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 Nanometerbereich 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 herausgestellt. 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 können 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 strömungskinetischen 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 streifenförmigen, 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 Volumenanteil 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 unterzogen wird.
  • Hierbei kann zumindest eine voll- oder hohlzylindrische 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 spanende Bearbeitung ausschließlich durch ein Umformverfahren ausgebildet werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
  • Für die Herstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen 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 Oberfläche 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 aufwies.
  • Anschließend wurde der Außendurchmesser durch Strangpressen auf 23 mm reduziert. Der so erhaltene zylinderförmige Körper wies einen Kernbereich mit einem Durchmesser von 3,8 mm auf, in dem die Siliziumpartikel 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 erreicht.

Claims (14)

  1. Düse für Plasmabrenner, bestehend aus einem Metall oder einer Metall-Legierung,
    dadurch gekennzeichnet,
    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 Korngröße 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 eingebettet sind.
  10. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass Mikropartikel im Bereich der Düsenöffnung 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,
    dadurch gekennzeichnet, 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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