EP4193811A1 - Elektrode für einen plasmaschneidbrenner, anordnung mit derselben, plasmaschneidbrenner mit derselben sowie verfahren zum plasmaschneiden - Google Patents

Elektrode für einen plasmaschneidbrenner, anordnung mit derselben, plasmaschneidbrenner mit derselben sowie verfahren zum plasmaschneiden

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Publication number
EP4193811A1
EP4193811A1 EP21798270.1A EP21798270A EP4193811A1 EP 4193811 A1 EP4193811 A1 EP 4193811A1 EP 21798270 A EP21798270 A EP 21798270A EP 4193811 A1 EP4193811 A1 EP 4193811A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
nozzle
better
plasma cutting
emission insert
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.)
Pending
Application number
EP21798270.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vadim GÜNTHER
Frank Laurisch
Volker Krink
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.)
Kjellberg Stiftung
Original Assignee
Kjellberg Stiftung
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kjellberg Stiftung filed Critical Kjellberg Stiftung
Publication of EP4193811A1 publication Critical patent/EP4193811A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • H05H1/3478—Geometrical details
    • 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
    • H05H1/3442—Cathodes with inserted tip

Definitions

  • Electrode for a plasma cutting torch arrangement with the same, plasma cutting torch with the same and method for plasma cutting
  • the present invention relates to electrodes for a particularly liquid-cooled plasma cutting torch and, particularly liquid-cooled, arrangements with the same, plasma cutting torches with the same and methods for plasma cutting.
  • Plasma cutting torches are used for plasma cutting of metals. They usually essentially consist of a torch body, an electrode, a nozzle and a holder for it. Modern plasma torches and plasma cutting torches also have a nozzle protection cap fitted over the nozzle. A nozzle is often fixed using a nozzle cap.
  • the components that wear out during operation of the plasma cutting torch as a result of the high thermal load caused by the arc are in particular the electrode, the nozzle, the nozzle cap, the nozzle protective cap, the nozzle protective cap holder and the plasma gas guide and secondary gas guide parts. These components can be easily changed by an operator and are therefore referred to as wearing parts.
  • the plasma cutting torches are connected by leads to a power source and a gas supply which power the plasma cutting torch. Furthermore, the plasma cutting torch can be connected to a cooling device for a cooling medium, such as a cooling liquid.
  • a cooling medium such as a cooling liquid.
  • High thermal loads occur with plasma cutting torches. This is due to the strong constriction of the plasma jet by the nozzle bore. Small bores are used here so that high current densities of 50 to 150 A/mm 2 in the nozzle bore, high energy densities of approx. 2xio 6 W/cm 2 and high temperatures of up to 30,000 K are generated.
  • higher gas pressures usually up to 12 bar, are used in plasma cutting torches.
  • the combination of high temperature and high kinetic energy of the plasma gas flowing through the nozzle bore causes the workpiece to melt and the melt to be expelled. A kerf is created and the workpiece is separated.
  • nitrogen or gas mixtures containing nitrogen are often used as the plasma gas to cut high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals or non-ferrous metal alloys such as e.g. B. to cut aluminum or an aluminum-magnesium alloy.
  • nitrogen or nitrogen-containing gas mixtures it is also possible to use nitrogen or nitrogen-containing gas mixtures to cut low- and unalloyed, i.e. so-called construction steel.
  • a plasma gas flows between the electrode and the nozzle.
  • the plasma gas is guided through a gas guiding part (plasma gas guiding part). This allows the plasma gas to be directed in a targeted manner. It is often rotated around the electrode by a radial and/or axial offset of the openings in the plasma gas guide part.
  • the plasma gas guide part is made of electrically insulating material because the electrode and the nozzle must be electrically insulated from each other. This is necessary because the electrode and nozzle have different electrical potentials during operation of the plasma cutting torch. To operate the plasma cutting torch, an arc is generated between the electrode and the nozzle and/or the workpiece, which ionizes the plasma gas.
  • a high voltage can be applied between the electrode and the nozzle, which provides for a pre-ionization of the distance between the electrode and the nozzle and thus for the formation of an arc.
  • the arc burning between the electrode and the nozzle is also known as the pilot arc.
  • the pilot arc exits through the nozzle bore and strikes the workpiece, ionizing the path to the workpiece. This allows the arc to form between the electrode and the workpiece.
  • This arc is also referred to as the main arc.
  • the pilot arc can be switched off during the main arc. However, it can also continue to be operated. During plasma cutting, this is often switched off in order not to put additional strain on the nozzle.
  • the electrode and the nozzle are thermally highly stressed and must be cooled. At the same time, they must also conduct the electrical current that is required to form the arc. For this reason, materials that conduct heat well and materials that conduct electricity well, usually metals such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals, are used for this purpose.
  • the electrode often consists of an electrode holder and an emission insert made of a material that has a high melting temperature (> 3000°C).
  • a high melting temperature > 3000°C.
  • tungsten is used as the material for the emission insert.
  • the high-temperature material can be pressed into an electrode holder, which consists of a material that conducts heat and electricity well, for example with a form fit and/or force fit.
  • the electrode and nozzle can be cooled by gas, for example the plasma gas or a secondary gas, which flows along the outside of the nozzle.
  • gas for example the plasma gas or a secondary gas
  • the electrode and/or the nozzle are often cooled directly with the liquid, ie the liquid is in direct contact with the electrode and/or the nozzle.
  • a nozzle cap around the nozzle, the inner surface of which together with the outer surface of the nozzle forms a coolant space in which the coolant flows.
  • nozzle protection cap outside the nozzle and/or the nozzle cap.
  • the inner surface of the nozzle guard and the outer surface of the nozzle or nozzle cap form a space through which a shield or shield gas flows.
  • the secondary or protective gas emerges from the hole in the nozzle protection cap and envelops the plasma jet and ensures a defined atmosphere around it.
  • the shielding gas protects the tip and tip guard from arcing that can form between the tip and the workpiece. These are called double arcs and can damage the nozzle.
  • the nozzle and the nozzle protection cap are heavily loaded by hot material spraying up.
  • the secondary gas the volume flow of which can be higher when piercing compared to the value when cutting, keeps the spraying material away from the nozzle and the nozzle protection cap and thus protects against damage.
  • the nozzle protection cap is also subjected to high thermal loads and must be cooled. For this reason, materials that conduct heat well and materials that conduct electricity well, usually metals such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals, are used for this purpose.
  • the electrode and the nozzle can also be cooled indirectly. They are connected to a component made of a material that conducts heat and electricity well, usually a metal such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals , contacted by touch. This component is in turn cooled directly, i.e. it is in direct contact with the mostly flowing coolant. At the same time, these components can serve as holders or receptacles for the electrode, the nozzle, the nozzle cap or the nozzle protection cap, and can conduct the heat away and supply the current.
  • a component made of a material that conducts heat and electricity well, usually a metal such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron or alloys containing at least one of these metals , contacted by touch.
  • This component is in turn cooled directly, i.e. it is in direct contact with the mostly flowing coolant.
  • these components can serve as holders or receptacles for the electrode, the nozzle, the
  • the nozzle protection cap is usually only cooled by the secondary gas. Arrangements are also known in which the secondary gas cap is cooled directly or indirectly by a cooling liquid.
  • the wear parts are subject to high loads due to the high energy density and the high temperatures. This applies in particular to the electrode.
  • the service life is often too short, especially when using nitrogen or nitrogen-containing gas mixtures as plasma gas. In addition, there are often large fluctuations in the service life.
  • a high cutting quality and cutting speed is achieved when cutting high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals or non-ferrous metal alloys by using so-called tip electrodes.
  • the emission insert protrudes from the electrode holder and is pointed at the front.
  • the cutting quality can be improved by using nitrogen, argon-nitrogen, nitrogen-hydrogen or argon-hydrogen-nitrogen mixtures.
  • the service life of the electrode decreases considerably even with relatively small currents below too A for plasma cutting.
  • the emission insert wears out during operation, i.e. when the arc or plasma jet is burning. Gradually it burns back and the part protruding from the electrode holder shortens. The quality of the cut deteriorates considerably as the burn-back increases. Especially when cutting high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals or non-ferrous metal alloys, this in turn leads to a greater squareness and inclination tolerance of the cut surface according to DIN ISO 9013, to the formation of dross on the underside of the material to be cut and to greater roughness of the cut surface.
  • the cut quality is usually no longer acceptable. If it burns back even further, e.g. more than 2 mm, the arc will transfer from the emission insert to the electrode holder and the entire electrode will suddenly fail. It also comes to the destruction of the nozzle. It can even destroy the entire burner.
  • tungsten electrodes with rare earth oxides in order to increase their service life and to improve the ability of the arc to ignite.
  • rare earth oxides are, for example, lanthanum, thorium or cerium oxide. This is known for applications using argon as the gas. If such electrodes are used with nitrogen, the service life drops rapidly.
  • the aim of the invention is to achieve a high cutting speed, a high cutting quality and a long service life, at least for the electrode during plasma cutting.
  • an electrode for a plasma cutting torch comprising an electrode holder and an emission insert, which are connected to one another in a non-positive, positive and/or material connection, characterized in that the emission insert consists of an alloy of at least tungsten and consists of at least one of the elements or compounds listed below: zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide.
  • an electrode for a plasma cutting torch having a front end and a rear end, extending along a longitudinal axis and having at least one emission insert at the front end and an electrode holder, in particular wherein at least one Part of the emission insert in the direction of the front end of the electrode protrudes or protrudes from the electrode holder, in particular wherein the emission insert protrudes or protrudes from the electrode holder has a preferably conically tapering section in the direction of the front end.
  • this object is achieved according to a third aspect by an arrangement of an electrode according to any one of claims 1 to 23 and a nozzle.
  • this object is achieved according to a fourth aspect by a plasma cutting torch, comprising an electrode according to one of Claims 1 to 23, a nozzle and/or a nozzle protection cap and/or a plasma gas guide part.
  • this object is achieved according to a fifth aspect by a method for plasma cutting, using a plasma cutting torch according to one of claims 27 to 29, wherein the plasma cutting torch (1) is operated with nitrogen or a gas mixture with nitrogen as the plasma gas.
  • the proportion of zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide is favorably at least 0.1%, better still at least 0.3% of the volume or the mass of the alloy of the emission insert.
  • the proportion of zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide is advantageously at most 5%, better at most 2%, of the volume or mass of the alloy of the emission insert.
  • the proportion of tungsten is at least 95%, more preferably at least 98%, most preferably 99% of the volume or mass of the emitter insert alloy.
  • At least 20%, preferably at least 25%, even better at least 30% of the remaining 100% of the volume or mass of the alloy of the emission insert is made of copper and/or silver.
  • the electrode has a front end and a rear end, extends along a longitudinal axis L, and has the emissive insert at the front end.
  • part of the emission insert may protrude or protrude towards the front end of the electrode from the electrode holder.
  • the emission insert protruding or protruding from the electrode holder has a section that tapers, preferably conically, in the direction of the front end.
  • an outer surface of the preferably conically tapering section extending towards the front end along the longitudinal axis L forms an angle (ß) of 15 ° to 30°, preferably of 20° to 25 ° , between the outer surface and the longitudinal axis L.
  • the electrode holder can have a tapering, preferably conical, tapering section towards the front end.
  • an outer surface of the preferably conically tapering section extending towards the front end along the longitudinal axis L forms an angle a of 15 ° to 30°, preferably of 20° to 25 ° , between the outer surface and the longitudinal axis L.
  • angles ⁇ and ⁇ have a maximum difference of 10°, better of a maximum of 5 ° and are best of the same size.
  • the emission insert advantageously has a circular surface at the front end of the electrode, which has a diameter D3 of at most 1.5 mm, better still at most 1.0 mm, best of all at most 0.6 mm.
  • the emission insert advantageously has a circular surface at the front end of the electrode, which has a diameter D3 of at least 0.2 mm, better still at least 0.4 mm.
  • the area at the front end of the electrode can also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageous maximum 1.8 mm 2 , preferably maximum 0.8 mm 2 , preferably maximum 0.3 mm 2 and/or minimum 0.05 mm 2 , preferably minimum 0.1 mm 2 .
  • the emission insert has a largest outside diameter D2 and the electrode holder has a smallest outside diameter Di, the difference between Di and D2 being between 0.2 mm and 1 mm.
  • an outer surface of the preferably conically tapering section extending towards the front end along the longitudinal axis L can have an angle ⁇ of 15 ° to 30°, preferably of 20° to 25 ° , between the outer surface and of the longitudinal axis L.
  • the electrode holder can have a section that tapers, preferably conically, towards the front end.
  • An outer surface of the preferably conically tapering section extending towards the front end along the longitudinal axis L advantageously forms an angle ⁇ of 15 ° to 30°, preferably of 20° to 25 ° , between the outer surface and the longitudinal axis L.
  • angles ⁇ and ⁇ can differ by a maximum of 10°, better by a maximum of 5 ° , and ideally be of the same size.
  • the emission insert can have a circular area at the front end of the electrode, which has a diameter D3 of at most 1.5 mm, better still at most 1.0 mm, most preferably at most 0.6 mm.
  • the emission insert can have a circular area at the front end of the electrode, which has a diameter D3 of at least 0.2 mm, better still at least 0.4 mm.
  • the area at the front end of the electrode can also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously at most 1.8 mm 2 , better at most 0.8 mm 2 , most preferably at most 0.3 mm 2 and/or at least 0.05 mm 2 , better at least 0 .1 mm 2 in size.
  • the emission insert can have a largest outer diameter D2 and the electrode holder a smallest outer diameter Di, the difference between Di and D2 being between 0.2 mm and 1 mm.
  • angles between the outer surface (7.1.3) of the conical section (7.1.1) of the electrode (7) and the longitudinal axis (L) and the inner surface of the nozzle ( 4) and the longitudinal axis (L) have a difference of at most 10°, better of at most 5 ° , even better of the same size.
  • a distance Li between the front end (14) of the electrode and a rear end of the nozzle channel (4.1) of the nozzle (4) Li ⁇ 1.5 mm, better Li ⁇ 1mm and/or Li ⁇ 1, 5 *D4, better Li ⁇ 1.0 * D4, with D4 being the smallest diameter of the nozzle channel.
  • angles between the outer surface of the conical section of the electrode and the longitudinal axis L and the inner surface of the nozzle opposite the outer surface and the longitudinal axis L have a difference of a maximum of 10°, better of a maximum of 5 0 have, even better are the same size.
  • the plasma gas mixture may consist of nitrogen and argon, or nitrogen and hydrogen, or nitrogen and argon and hydrogen.
  • the plasma cutting torch is advantageously operated with nitrogen or a gas mixture with nitrogen or air or a gas mixture with air as the secondary gas.
  • the secondary gas mixture favorably consists of nitrogen and argon or of nitrogen and hydrogen or of nitrogen and argon and hydrogen or of air and argon or of air and nitrogen.
  • At least 30%, more preferably 50% and most preferably 75% of the volume of the plasma gas and/or the secondary gas consists of nitrogen or air.
  • At least the electrode and/or the nozzle and/or the nozzle protection cap is/are advantageously cooled with a liquid medium.
  • the workpiece to be cut can be made of a high-alloy steel, a stainless steel or a non-ferrous metal or non-ferrous metal alloy.
  • the non-ferrous metal can consist at least in part of aluminum, copper, titanium, zinc or tin.
  • the present invention is based on the surprising finding that the materials used and / or the structural design of the electrode a long service life and a high cut quality over a long period of time when using a nitrogen-containing plasma gas or mixture in one Plasma torches especially when cutting high-alloy steel, stainless steel or a non-ferrous metal/-! government is achieved.
  • FIG. 1 shows a sectional illustration through a plasma cutting torch head of a plasma torch according to a particular embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a sectional illustration through a plasma cutting torch head of a plasma torch according to a further particular embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows an individual representation of the electrode contained in FIGS. 1 and 2 in a side view
  • FIG. 4 shows a detailed view of FIG. 3
  • Figure 5 is a bottom view of the electrode shown in Figure 3;
  • FIG. 6 shows a partial sectional view of an electrode according to a particular embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a partial sectional view of the electrode shown in Figures 1, 2 and 3-5.
  • FIGS 1 and 2 show sectional views through plasma cutting torch heads according to particular embodiments of the present invention, in which a Electrode according to a particular embodiment of the present invention and an electrode and nozzle arrangement according to a particular embodiment of the present invention have been employed.
  • FIGs 3, 4 and 5 show details of the electrode included in the plasma cutting torch heads of Figures 1 and 2.
  • Figure 6 shows a sectional view of an electrode according to another particular embodiment of the invention
  • Figure 7 shows a sectional view of the electrode shown in Figures 1, 2 and 3 to 5.
  • the plasma cutting torch head 1 shown in FIG. 1 has an electrode 7, a nozzle 4 and a plasma gas feed 3 for plasma gas PG.
  • the plasma cutting torch head according to a particular embodiment of the present invention extends along the longitudinal axis L and has a front end 14 and a rear end 15.
  • the electrode 7 is screwed into an electrode holder 6 by means of a thread and is supplied from the inside with a cooling medium, which is supplied via the inside of a cooling tube 11 as the coolant supply WV1 and is returned to a space 13 formed between the outside of the cooling tube 11 and the electrode holder 6 as the coolant return WRi , chilled.
  • the nozzle 4 is held by a nozzle cap 2 .
  • a cooling medium flows between the nozzle 4 and the nozzle cap 2 in a space 10, which is fed back via the coolant supply WV2 and the coolant return WR2.
  • a nozzle protection cap 9 encloses the nozzle 4 and the nozzle cap 2.
  • secondary gas SG flows through a secondary gas duct 9.1, which at the same time isolates the nozzle protection cap 9 from the nozzle cap 2 and keeps it at a distance.
  • the secondary gas flow can 9.1 z. B. be designed so that they rotate the secondary gas SG leaves.
  • the nozzle protection cap 9 is fixed by a nozzle protection cap holder 8, which is attached to the plasma torch head by means of threads.
  • the nozzle 4 has in its interior, seen from the front end 14, a nozzle channel 4.1 and a conically widening space 4.3.
  • the inner surface of the space 4.2 of the nozzle 4 runs parallel to a conical outer surface 7.1.3 of a section 7.1.1 of the electrode 7. A good plasma gas flow in the remaining space between the nozzle 4 and the electrode 7 is thus achieved.
  • the front circular surface of the emission insert 7.2 is due to the pointed design of the electrode 7. very close to the end of the nozzle channel 4.1.
  • the diameter D4 of the nozzle channel 4.1 is 1.2 mm in both figures, for example.
  • the front face 7.2.4 of the emission insert can be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously at most 1.8 mm 2 , better at most 0.8 mm 2 , most preferably at most 0.3 mm 2 and/or at least 0.05 mm 2 , better at least 0 .1 mm 2 in size.
  • the plasma gas guide part 3.1 which insulates the electrode 7 and the nozzle 4 from one another and allows the plasma gas PG to flow through openings into the nozzle interior.
  • the plasma gas PG can be set in rotation by a radial offset of the openings with respect to the longitudinal axis L or by inclination of the openings with respect to the longitudinal axis L.
  • the electrode 7 consists of an electrode holder 7.1 and an emission insert
  • the emission insert 7.2 is fixed in the electrode holder 7.1. This can be force, form or materially connected. Good heat transfer between the emission insert 7.2 and the electrode holder 7.1 is thus achieved.
  • the electrode holder 7.1 can be water-cooled, in which case it can have a cavity on the inside through which the cooling medium flows.
  • the electrode holder 7.1 consists of a material that conducts heat and electricity well, for example copper or silver or an alloy thereof. An alloy as specified in one of claims 1 to 5 can be used for the emission insert 7.2.
  • the thermal conductivity is advantageously >300 W/(m*K), for example silver 429 W/(m*K), copper 398 W/(m*K).
  • the electrical conductivity is advantageously more than 10 7 S/m (for example silver 61*100 6 S/m, copper 58*100 6 S/m).
  • an alloy of tungsten and zirconium oxide is used.
  • the proportion of tungsten here is, for example, 99.3% and that of zirconium oxide is 0.3% of the mass of the alloy.
  • the proportion missing to make up 100% of the mass consists of copper with a proportion of 0.15% of the total mass.
  • the plasma cutting torch head 1 shown in FIG. 2 differs from the plasma cutting torch head shown in FIG. 1 in the inner contour of the nozzle.
  • the nozzle 4 In its interior, seen from the front end 14, the nozzle 4 has a cylindrical nozzle channel 4.1, a further essentially cylindrical space 4.2 and a conically widening space 4.3.
  • Substantially cylindrical means that the cylindrical inner surface of this space 4.3 is larger than the inner surface of the smaller conical section shown here directly on the nozzle channel 4.1.
  • the inner surface of the space 4.3 of the nozzle 4 runs parallel to the outer surface 7.1.3 of the section 7.1.1 of the electrode 7. A good flow of plasma gas in the remaining space between the nozzle 4 and the electrode 7 is thus achieved.
  • the front circular area 7.2.4 of the emission insert 7.2 comes very close to the end of the nozzle channel 4.1.
  • the length Li is 1.2 mm here, for example.
  • the diameter D4 of the nozzle channel 4.1 is 1.2 mm, for example.
  • the front face 7.2.4 of the emission insert can be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously at most 1.8 mm 2 , better at most 0.8 mm 2 , most preferably at most 0.3 mm 2 and/or at least 0.05 mm 2 , better at least 0 .1 mm 2 in size.
  • Figures 3, 4 and 5 show in more detail the construction of the electrode of Figures 1 and 2.
  • Figures 3, 4 and 5 show the electrode 7 extending along a longitudinal axis L and having a front end 7.4 and a rear end 7.3.
  • the electrode consists of the electrode holder 7.1 and the emission insert 7.2, which is pressed here by way of example with its rear section 7.2.1 into the electrode holder 7.1 and is thus connected in a non-positive manner.
  • the electrode holder 7.1 has a rear section 7.1.2, which is designed here by way of example with a thread and can be screwed into the electrode holder 6 of the plasma cutting torch head.
  • the electrode holder 7.2 has a conically tapering section 7.1.1 towards the front end 7.4 of the electrode 7. with an outer surface 7.1.3. At the front end there is a circular surface with a diameter Di.
  • An angle a enclosed by the outer surface 7.1.3 of the conical section 7.1.1 of the electrode holder 7.1 and the longitudinal axis L is 23 ° here, for example.
  • the emission insert 7.2 has a rear section 7.2.1 protruding into the electrode holder 7.1 and a section protruding from the electrode holder 7.1, which has a cylindrical section 7.2.2 with the diameter D2 and a conically tapering section 7.2.3 with an outer surface 7.2.5 having.
  • the diameter Di is 2.0 mm, for example.
  • the diameter Di is 2.5 mm, for example.
  • the difference between Di and D2 is 0.25 mm. The small difference ensures that the plasma gas PG flowing in the space between the nozzle 4 and the electrode 7 (as shown in FIGS. 1 and 2) is disturbed as little as possible and flows as evenly and homogeneously as possible. This ensures good cutting quality.
  • the emission insert 7.2 has a circular surface 7.2.4 towards the front end 14, which has a diameter D3 of, for example, 0.4 mm (see FIG. 4).
  • An angle ⁇ enclosed by the outer surface 7.2.5 of the conical section 7.2.3 of the emission insert 7.2 and the longitudinal axis L is 23° here, for example.
  • the angles ⁇ and ⁇ of the conically tapering sections of the electrode holder 7.1 and of the emission insert 7.2 are the same.
  • the equal size of the angles ⁇ and ⁇ ensures that the plasma gas PG flowing in the space between the nozzle 4 and the electrode 7 (as shown in FIGS. 1 and 2) flows as uniformly and homogeneously as possible. This ensures good cutting quality.
  • the front face 7.2.4 of the emission insert can be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously at most 1.8 mm 2 , better at most 0.8 mm 2 , most preferably at most 0.3 mm 2 and/or at least 0.05 mm 2 , better at least 0 .1 mm 2 in size.
  • the diameter D3 is 0.4 mm here, for example. This ensures that the service life of the electrode is sufficiently high even during plasma cutting with a plasma gas containing nitrogen, and at the same time remains sufficiently centered due to the relatively small circular area 7.2.4. This ensures a long service life and good cutting quality at the same time. Since the diameter D3 is 0.4 mm in this example, the circular area 7.2.4 is 0.125 mm 2 .
  • FIG. 6 shows an electrode 7 which differs from the embodiments shown in FIGS. 3 to 5 in that the interior is solid, for example.
  • FIG. 7 shows the electrode from FIG. 1 again.
  • the electrode has a hollow space 7.12 on the inside, which extends from the rear end 7.3 in the direction of the front end.
  • the cooling is much more effective than in the case of an electrode according to FIG. 6, because the coolant is conducted through a cooling tube, as described in FIGS. 1 and 2, in the vicinity of the emission insert. This also increases the service life of the electrode, in particular that of the emission insert.
  • the described electrodes 7 and the described plasma cutting torch 1 are used for plasma cutting with a plasma gas containing nitrogen. deployed. This is particularly beneficial for plasma cutting of workpieces made of a high alloy steel, a stainless steel, or a non-ferrous metal or alloy. But it is also possible to cut mild steel.
  • an electrode 7 with an electrode holder 7.1 and an emission insert 7.2 achieves a long service life and good cutting quality.
  • WRi, WR2 Coolant returns a Angle between the outer surface 7.1.3 of the electrode holder and the longitudinal axis L ß Angle between the outer surface 7.2.5 of the emission insert and the longitudinal axis L

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Abstract

Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, umfassend einen Elektrodenhalter und einem Emissionseinsatz, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionseinsatz aus einer Legierung zumindest aus Wolfram und mindestens einem der nachfolgend aufgeführten Elemente oder Verbindungen besteht: Zirconium und/oder Hafnium und/oder Zirconiumoxid und/oder Hafniumoxid; Anordnung mit derselben, Plasmaschneidbrenner mit derselben sowie Verfahren zum Plasmaschneiden.

Description

Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, Anordnung mit derselben, Plasmaschneidbrenner mit derselben sowie Verfahren zum Plasmaschneiden
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektroden für einen, insbesondere flüssigkeitsgekühlten, Plasmaschneidbrenner sowie, insbesondere flüssigkeitsgekühlten, Anordnungen mit derselben, Plasmaschneidbrenner mit denselben und Verfahren zum Plasmaschneiden.
Plasmaschneidbrenner werden zum Plasmaschneiden von Metallen eingesetzt. Sie bestehen üblicherweise im Wesentlichen aus einem Brennerkörper, einer Elektrode, einer Düse und einer Halterung dafür. Moderne Plasmabrenner und Plasmaschneidbrenner verfügen zusätzlich über eine über der Düse angebrachte Düsenschutzkappe. Oft wird eine Düse mittels einer Düsenkappe fixiert.
Die durch den Betrieb des Plasmaschneidbrenners infolge der durch den Lichtbogen verursachten hohen thermischen Belastung verschleißenden Bauteile sind je nach Plasmaschneidbrennertyp insbesondere die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe, die Düsenschutzkappe, die Düsenschutzkappenhalterung und die Plasmagasführungs- und Sekundärgasführungsteile. Diese Bauteile können durch einen Bediener leicht gewechselt und somit als Verschleißteile bezeichnet werden.
Die Plasmaschneidbrenner sind über Leitungen an eine Stromquelle und eine Gasversorgung angeschlossen, die den Plasmaschneidbrenner versorgen. Weiterhin kann der Plasmaschneidbrenner an einer Kühleinrichtung für ein Kühlmedium, wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit, angeschlossen sein. Bei Plasmaschneidbrennern treten hohe thermische Belastungen auf. Das hat seine Ursache in der starken Einschnürung des Plasmastrahls durch die Düsenbohrung. Hier werden kleine Bohrungen verwendet, damit hohe Stromdichten von 50 bis 150 A/ mm2 in der Düsenbohrung, hohe Energiedichten von ca. 2xio6 W/cm2 und hohe Temperaturen von bis zu 30.000 K erzeugt werden. Weiterhin werden im Plasmaschneidbrenner höhere Gasdrücke, in der Regel bis zu 12 bar, verwendet. Die Kombination aus hoher Temperatur und großer kinetischer Energie des durch die Düsenbohrung strömenden Plasmagases führen zum Aufschmelzen des Werkstücks und zum Austreiben der Schmelze. Es entsteht eine Schnittfuge und das Werkstück wird getrennt.
Beim Plasmaschneiden werden oft Stickstoff oder stickstoffhaltige Gasgemische als Plasmagas eingesetzt, um hochlegierten Stahl, nichtrostenden Stahl, Nichteisenmetalle oder Nichteisenmetalllegierungen, wie z. B. Aluminium oder eine Aluminium- Magnesium-Legierung zu schneiden. Es ist aber auch möglich, mit Stickstoff oder stickstoffhaltigen Gasgemischen niedrig- und unlegierte, also sogenannte Baustähle, zu schneiden.
Zwischen der Elektrode und der Düse strömt ein Plasmagas. Das Plasmagas wird durch ein Gasführungsteil (Plasmagasführungsteil) geführt. Dadurch kann das Plasmagas gezielt gerichtet werden. Oftmals ist es durch einen radialen und/oder axialen Versatz der Öffnungen in dem Plasmagasführungsteil in Rotation um die Elektrode versetzt. Das Plasmagasführungsteil besteht aus elektrisch isolierendem Material, da die Elektrode und die Düse voneinander elektrisch isoliert sein müssen. Dies ist notwendig, da die Elektrode und die Düse unterschiedliche elektrische Potentiale während des Betriebs des Plasmaschneidbrenners haben. Zum Betreiben des Plasmaschneidbrenners wird ein Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse und/oder dem Werkstück erzeugt, der das Plasmagas ionisiert. Zum Zünden des Lichtbogens kann eine Hochspannung zwischen der Elektrode und Düse angelegt werden, die für eine Vorionisation der Strecke zwischen der Elektrode und der Düse und somit für die Ausbildung eines Lichtbogens sorgt. Der zwischen Elektrode und Düse brennende Lichtbogen wird auch als Pilotlichtbogen bezeichnet. Der Pilotlichtbogen tritt durch die Düsenbohrung aus und trifft auf das Werkstück und ionisiert die Strecke zum Werkstück. Dadurch kann sich der Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück ausbilden. Dieser Lichtbogen wird auch als Hauptlichtbogen bezeichnet. Während des Hauptlichtbogens kann der Pilotlichtbogen abgeschaltet werden. Er kann aber auch weiterbetrieben werden. Beim Plasmaschneiden wird dieser oft abgeschaltet, um die Düse nicht noch zusätzlich zu belasten.
Insbesondere die Elektrode und die Düse werden thermisch hoch beansprucht und müssen gekühlt werden. Zugleich müssen sie auch den elektrischen Strom, der zur Ausbildung des Lichtbogens benötigt wird, leiten. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.
Die Elektrode besteht oft aus einem Elektrodenhalter und einem Emissionseinsatz, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, der eine hohe Schmelztemperatur (> 3OOO°C) aufweist. Als Werkstoffe für den Emissionseinsatz wird beim Einsatz nicht oxidierender Plasmagase, wie bspw. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium und Gemische derselben, Wolfram eingesetzt. Der Hochtemperaturwerkstoff kann in einen Elektrodenhalter, der aus gut Wärme und elektrisch gut leitendem Werkstoff besteht, zum Beispiel mit Form- und/oder Kraftschluss eingepresst werden.
Die Kühlung der Elektrode und Düse kann durch Gas, zum Beispiel das Plasmagas oder ein Sekundärgas, das an der Außenseite der Düse entlangströmt, erfolgen. Effektiver ist jedoch die Kühlung mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser. Dabei werden die Elektrode und/oder die Düse oft direkt mit der Flüssigkeit gekühlt, d. h. die Flüssigkeit befindet sich in direktem Kontakt mit der Elektrode und/oder der Düse. Um die Kühlflüssigkeit um die Düse zu führen, befindet sich um die Düse eine Düsenkappe, deren Innenfläche mit der Außenfläche der Düse einen Kühlmittelraum bildet, in dem das Kühlmittel strömt. Bei modernen Plasmaschneidbrennern befindet sich zusätzlich außerhalb der Düse und/oder der Düsenkappe eine Düsenschutzkappe. Die Innenfläche der Düsenschutzkappe und die Außenfläche der Düse oder der Düsenkappe bilden einen Raum, durch den ein Sekundär- oder Schutzgas strömt. Das Sekundär- oder Schutzgas tritt aus der Bohrung der Düsenschutzkappe aus und umhüllt den Plasmastrahl und sorgt für eine definierte Atmosphäre um denselben. Zusätzlich schützt das Sekundärgas die Düse und die Düsenschutzkappe vor Lichtbögen, die sich zwischen diesem und dem Werkstück ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse führen. Insbesondere beim Einstechen in das Werkstück werden die Düse und die Düsenschutzkappe durch heißes Hochspritzen von Material stark belastet. Das Sekundärgas, dessen Volumenstrom beim Einstechen gegenüber dem Wert beim Schneiden erhöht sein kann, hält das hochspritzende Material von der Düse und der Düsenschutzkappe fern und schützt so vor Beschädigung.
Die Düsenschutzkappe wird ebenfalls thermisch hoch beansprucht und muss gekühlt werden. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.
Die Elektrode und die Düse können auch indirekt gekühlt werden. Dabei stehen sie mit einem Bauteil, das aus einem gut Wärme und elektrisch gut leitendem Werkstoff, in der Regel ein Metall, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, besteht, durch Berührung in Kontakt. Dieses Bauteil wird wiederum direkt gekühlt, d.h., dass es sich mit dem meist strömenden Kühlmittel direkt in Kontakt befindet. Diese Bauteile können gleichzeitig als Halterung oder Aufnahme für die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe oder die Düsenschutzkappe dienen und die Wärme ab- und den Strom zuführen.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass nur die Elektrode oder nur die Düse mit Flüssigkeit gekühlt wird. Die Düsenschutzkappe wird meist nur durch das Sekundärgas gekühlt. Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Sekundärgaskappe direkt oder indirekt durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt wird.
Bei Plasmabrennern und insbesondere bei Plasmaschneidbrennern tritt aufgrund der der hohen Energiedichte und der hohen Temperaturen eine hohe Belastung der Verschleißteile auf. Dies betrifft insbesondere auch die Elektrode.
Die bisher bekannten Lösungen für die Elektrode, den Emissionseinsatz aus hochschmelzendem Material, wie z. B. Wolfram, in ein gut Wärme leitendes Material, wie z. B. Kupfer oder Silber, einzusetzen, erreichen oftmals nicht ausreichende Ergebnisse hinsichtlich der Lebensdauer und/oder der Schnittqualität.
Besonders beim Einsatz von Stickstoff oder stickstoffhaltigen Gasgemischen als Plasmagas ist die Lebensdauer oft zu kurz. Zudem gibt es oftmals große Schwankungen bei der Lebensdauer.
Eine hohe Schnittqualität und Schneidgeschwindigkeit wird beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen durch den Einsatz von sogenannten Spitzenelektroden erreicht. Hierbei ragt der Emissionseinsatz aus dem Elektrodenhalter heraus und ist vorn angespitzt ausgeführt. Beim Schneiden mit Argon-Wasserstoff-Gemisch wird dabei auch eine gute Lebensdauer und eine gute Schnittqualität bei Werkstückdicken ab 6 mm erzielt.
Bei geringeren Werkstückdicken treten größere Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranzen nach DIN ISO 9013 auf. Weiterhin kommt es zu verstärkter Bartbildung an der Werkstückunterkante.
Durch den Einsatz von Stickstoff, Argon-Stickstoff-, Stickstoff-Wasserstoff- oder Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch kann die Schnittqualität verbessert werden. Allerdings sinkt die Lebensdauer der Elektrode selbst bei für das Plasmaschneiden relativ kleinen Strömen unter too A erheblich.
Der Emissionseinsatz verschleißt während des Betriebes, also bei brennendem Lichtbogen oder Plasmastrahl. Nach und nach brennt er zurück und der aus dem Elektrodenhalter herausragende Teil verkürzt sich. Mit zunehmendem Rückbrand verschlechtert sich die Schnittqualität erheblich. Besonders beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen führt dies wiederum zu einer größeren Rechtwinkligkeitsund Neigungstoleranz der Schnittfläche nach DIN ISO 9013, zur Bildung von Bartanhang an der Unterseite des zu schneidenden Materials und zu größerer Rauigkeit der Schnittfläche.
Ist er weiter als 1 mm zurückgebrannt, ist die Schnittqualität meist nicht mehr akzeptabel. Brennt er noch weiter zurück, bspw. über 2 mm, kommt es zum Übersetzen des Lichtbogens vom Emissionseinsatz auf den Elektrodenhalter und zum plötzlichen Versagen der gesamten Elektrode. Es kommt dabei auch zur Zerstörung der Düse. Es kann sogar der gesamte Brenner zerstört werden.
Es ist bekannt, Wolframelektroden mit Oxiden seltener Erden zu dotieren, um deren Lebensdauer zu erhöhen und die Zündwilligkeit des Lichtbogens zu verbessern. Dies sind beispielsweise Lanthan-, Thorium- oder Cer-Oxid. Dies ist für Anwendungen unter Verwendung von Argon als Gas bekannt. Werden solche Elektroden mit Stickstoff verwendet, sinkt die Lebensdauer rapide.
Es ist auch bekannt, sogenannte Flachelektroden, bei denen der Emissionseinsatz nicht aus dem Elektrodenhalter herausragt, zu verwenden. Hier wird eine Verbesserung der Lebensdauer erreicht. Allerdings verringern sich die Schneidgeschwindigkeit und die Schnittqualität beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen erheblich. Die längere Lebensdauer wird durch die bessere Kühlung des Emissionseinsatzes erreicht, da dieser bis zum Lichtbogenansatzpunkt, also seinem vorderen Ende, in den Elektrodenhalter eingesetzt ist. Die schlechtere Schnitt qualität hat ihre Ursache vermutlich in den anderen oder auch schlechteren Strömungsverhältnissen für das Plasmagas, die eine sogenannte Flachelektrode in Kombination mit einer Düse ergibt.
Ziel der Erfindung ist es, eine hohe Schneidgeschwindigkeit, eine hohe Schnittqualität und eine lange Lebensdauer zumindest der Elektrode beim Plasmaschneiden zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, umfassend einen Elektrodenhalter und einen Emissionseinsatz, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionseinsatz aus einer Legierung zumindest aus Wolfram und mindestens einem der nachfolgend aufgeführten Elemente oder Verbindungen besteht: Zirconium und/oder Hafnium und/ oder Zirconiumoxid und/ oder Hafniumoxid.
Darüber hinaus wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch eine Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, wobei die Elektrode ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist, sich entlang einer Längsachse erstreckt und zumindest einen Emissionseinsatz am vorderen Ende sowie einen Elektrodenhalter aufweist, insbesondere wobei zumindest ein Teil des Emissionseinsatzes in Richtung des vorderen Endes der Elektrode aus dem Elektrodenhalter hervorsteht oder herausragt, insbesondere wobei der aus dem Elektrodenhalter hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz einen sich in Richtung des vorderen Endes, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweist.
Weiterhin wird diese Aufgabe gemäß einem dritten Aspekt gelöst durch eine Anordnung aus einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 23 und einer Düse.
Ferner wird diese Aufgabe gemäß einem vierten Aspekt gelöst durch einen Plasmaschneidbrenner, umfassend eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 23, eine Düse und/oder eine Düsenschutzkappe und/oder ein Plasmagasführungsteil. Darüber hinaus wird diese Aufgabe gemäß einem fünften Aspekt gelöst durch ein Verfahren zum Plasmaschneiden , unter Verwendung eines Plasmaschneidbrenners nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei der Plasmaschneidbrenner (1) mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff als Plasmagas betrieben wird.
Günstigerweise beträgt bei der Elektrode gemäß den ersten und zweiten Aspekten der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxi ds und/oder Hafniumoxids minimal 0,1 %, besser minimal 0,3 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.
Günstigerweise beträgt der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids maximal 5 %, besser maximal 2 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil des Wolframs mindestens 95 %, besser minimal 98 %, am besten 99 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der zu 100 % des Volumens oder der Masse verbleibende Anteil der Legierung des Emissionseinsatzes zu mindestens 20 %, besser minimal 25 %, noch besser minimal 30 % aus Kupfer und/oder Silber gebildet wird.
In einer besonderen Ausführungsform weist die Elektrode ein vorderes Ende und ein hinteres Ende auf, erstreckt sich entlang einer Längsachse L und befindet sich der Emissionseinsatz am vorderen Ende.
Ferner kann ein Teil des Emissionseinsatzes in Richtung des vorderen Endes der Elektrode aus dem Elektrodenhalter hervorstehen oder herausragen. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der aus dem Elektrodenhalter hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz einen sich in Richtung des vorderen Endes, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweist.
Günstigerweise bildet eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel (ß) von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 250, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L.
Der Elektrodenhalter kann zum vorderen Ende einen sich verjüngenden, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweisen.
Zweckmäßigerweise bildet eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel a von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 250, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L.
Günstigerweise weisen die Winkel a und ß einen Unterschied von maximal io°, besser von maximal 50 auf und sind am besten gleich groß.
Günstigerweise weist der Emissionseinsatz am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche auf, die einen Durchmesser D3 von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.
Vorteilhafterweise weist der Emissionseinsatz am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche auf, die einen Durchmesser D3 von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist.
Die Fläche am vorderen Ende der Elektrode kann aber auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.
In einer besonderen Ausführungsform hat der Emissionseinsatz einen größten Außendurchmesser D2 und der Elektrodenhalter einen kleinsten Außendurchmesser Di, wobei die Differenz zwischen Di und D2 zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.
Bei der Elektrode gemäß dem zweiten Aspekt kann eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel ß von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 250, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L bilden.
Der Elektrodenhalter kann zum vorderen Ende einen sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweisen.
Vorteilhafterweise bildet eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel a von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 250, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L.
Die Winkel a und ß können einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 50 aufweisen, am besten gleich groß sein.
Der Emissionseinsatz kann am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche aufweisen, die einen Durchmesser D3 von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.
Der Emissionseinsatz kann am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche aufweisen, die einen Durchmesser D3 von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist. Die Fläche am vorderen Ende der Elektrode kann aber auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.
Der Emissionseinsatz kann einen größten Außendurchmesser D2 und der Elektrodenhalter einen kleinsten Außendurchmesser Di haben, wobei die Differenz zwischen Di und D2 zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.
Bei der Anordnung gemäß dem dritten Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Winkel zwischen der Außenfläche (7.1.3) des konischen Abschnitts (7.1.1) der Elektrode (7) und der Längsachse (L) sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse (4) und der Längsachse (L) einen Unterschied von maximal io°, besser von maximal 50 aufweisen, noch besser gleich groß sind.
Gemäß einer besonderen Ausführungsformgilt für einen Abstand Li zwischen dem vorderen Ende (14) der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals (4.1) der Düse (4): Li< 1,5 mm, besser Li < imm und/oder Li < 1,5 *D4, besser Li < 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.
Bei dem Plasmaschneidbrenner gemäß dem vierten Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Winkel zwischen der Außenfläche des konischen Abschnitts der Elektrode und der Längsachse L sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse und der Längsachse L einen Unterschied von maximal io°, besser von maximal 50 aufweisen, noch besser gleich groß sind.
Bei dem Plasmaschneidbrenner kann vorgesehen sein, dass für einen Abstand Li zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals gilt:Li< 1,5 mm, besser Li < imm und/oder Li < 1,5 *D4, besser Li < 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals. Bei dem Verfahren gemäß dem fünften Aspekt kann das Plasmagasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff bestehen.
Vorteilhafterweise wird der Plasmaschneidbrenner mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff oder Luft oder einem Gasgemisch mit Luft als Sekundärgas betrieben.
Günstigerweise besteht das Sekundärgasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff oder aus Luft und Argon oder aus Luft und Stickstoff.
Vorteilhafterweise bestehen mindestens 30 %, besser 50 % und am besten 75 % des Volumens des Plasmagases und/oder des Sekundärgases aus Stickstoff oder Luft.
Günstigerweise wird/werden zumindest die Elektrode und/oder die Düse und/oder die Düsenschutzkappe mit einem flüssigen Medium gekühlt.
Das zu schneidende Werkstück kann aus einem hochlegierten Stahl, einem rostfreien Stahl oder einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung bestehen.
Das Nichteisenmetall kann zumindest teilweise aus Aluminium, Kupfer, Titan, Zink oder Zinn bestehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die verwendeten Materialien und/ oder die konstruktive Gestaltung der Elektrode eine lange Lebensdauer und eine hohe Schnittqualität auch über einen langen Zeitraum beim Einsatz eines stickstoffhaltigen Plasmagases oder -gemisches in einem Plasmabrenner insbesondere beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nicht rostendem Stahl oder einer Nichteisenmetall/-! egierung erzielt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur i ein Schnittdarstellung durch einen Plasmaschneidbrennerkopf eines Plasmabrenners gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ein Schnittdarstellung durch einen Plasmaschneidbrennerkopf eines Plasmabrenners gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 eine Einzeldarstellung der in den Figuren 1 und 2 enthaltenen Elektrode in Seitenansicht;
Figur 4 eine Detailansicht der Figur 3;
Figur 5 eine Ansicht der in Figur 3 gezeigten Elektrode von unten;
Figur 6 eine Teilschnittansicht einer Elektrode gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 7 eine Teilschnittansicht der in den Figuren 1, 2 und 3 bis 5 gezeigten Elektrode.
Die Figuren 1 und 2 zeigen Schnittdarstellungen durch Plasmaschneidbrennerköpfe gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen eine Elektrode gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Anordnung aus Elektrode und Düse gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt worden sind.
Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen Einzelheiten der in den Plasmaschneidbrennerköpfen der Figuren 1 und 2 enthaltenen Elektrode.
Die Figur 6 zeigt eine Schnittansicht von einer Elektrode gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung, und Figur 7 zeigt eine Schnittansicht der in den Figuren 1, 2 und 3 bis 5 gezeigten Elektrode.
Der in Figur 1 gezeigte Plasmaschneidbrennerkopf 1 weist eine Elektrode 7, eine Düse 4 und eine Plasmagaszuführung 3 für Plasmagas PG auf. Der Plasmaschneidbrennerkopf gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich entlang der Längsachse L und hat ein vorderes Ende 14 und ein hinteres Ende 15.
Die Elektrode 7 ist in eine Elektrodenaufnahme 6 mittels Gewinde eingeschraubt und wird von innen mit einem Kühlmedium, das über das Innere eines Kühlrohrs 11 als Kühlmittelvorlauf WV1 zugeführt und einen zwischen dem Äußeren des Kühlrohrs 11 und der Elektrodenaufnahme 6 als Kühlmittelrücklauf WRi gebildeten Raum 13 zurückgeführt wird, gekühlt.
Die Düse 4 wird von einer Düsenkappe 2 gehalten. Zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 2 strömt ein Kühlmedium in einem Raum 10, das über den Kühlmittelvorlauf WV2 zu und den Kühlmittelrücklauf WR2 zurückgeführt wird.
Eine Düsenschutzkappe 9 umschließt die Düse 4 und die Düsenkappe 2. Dazwischen strömt Sekundärgas SG durch eine Sekundärgasführung 9.1, die gleichzeitig die Düsenschutzkappe 9 von der Düsenkappe 2 isoliert und auf Abstand hält. Dabei kann die Sekundärgasführung 9.1 z. B. so gestaltet sein, dass sie das Sekundärgas SG rotieren lässt. Die Düsenschutzkappe 9 wird durch eine Düsenschutzkappenhalterung 8 fixiert, die am Plasmabrennerkopf mittels Gewinde befestigt ist.
Die Düse 4 weist in ihrem Innenraum, vom vorderen Ende 14 her gesehen, einen Düsenkanal 4.1 und einen sich konisch erweiternden Raum 4.3 auf. Die Innenfläche des Raumes 4.2 der Düse 4 verläuft parallel zu einer konischen Außenfläche 7.1.3 eines Abschnittes 7.1.1 der Elektrode 7. So wird eine gute Plasmagasströmung in dem verbleibenden Raum zwischen Düse 4 und Elektrode 7 erreicht. Durch die spitze Bauform der Elektrode 7 kommt die vordere Kreisfläche des Emissionseinsatzes 7.2. sehr nahe an das Ende des Düsenkanals 4.1. So beträgt in der Figur 1 beispielhaft der Abstand Li zwischen Elektrode und hinterem Ende des Düsenkanals 4.10,8 mm und in der Figur 2 beispielhaft Li = 1,2 mm. Der Durchmesser D4 des Düsenkanals 4.1 beträgt in beiden Figuren beispielhaft 1,2 mm. Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.
Mit „sehr nahe“ soll allgemein folgendes gemeint sein:
Li< 1,5 mm, besser Li < imm und/oder Li < 1,5 *D4, besser Li < 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.
Zwischen der Elektrode 7 und der Düse 4 ist ein Plasmagasführungsteil 3.1 angebracht, das die Elektrode 7 und die Düse 4 voneinander isoliert und durch Öffnungen das Plasmagas PG in den Düseninnenraum strömen lässt. Dabei kann das Plasmagas PG durch einen radialen Versatz der Öffnungen zur Längsachse L oder durch Neigung der Öffnungen zur Längsachse L in Rotation versetzt werden.
Die Elektrode 7 besteht aus einem Elektrodenhalter 7.1 und einem Emissionseinsatz
7.2. In einer Ausführungsform kann sie aber auch aus mehr Komponenten bestehen. Der Emissionseinsatz 7.2 ist im Elektrodenhalter 7.1 befestigt. Dies kann kraft-, form- oder stoffschlüssig erfolgt sein. So wird ein guter Wärmeübergang zwischen dem Emissionseinsatz 7.2 und dem Elektrodenhalter 7.1 erreicht. Der Elektrodenhalter 7.1 kann wassergekühlt sein, wobei er im Inneren einen Hohlraum aufweisen kann, durch den das Kühlmedium fließt. Der Elektrodenhalter 7.1 besteht aus gut wärme- und elektrisch leitendem Material, bspw. Kupfer oder Silber oder eine Legierung daraus. Für den Emissionseinsatz 7.2 kann eine Legierung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 5 spezifiziert ist, eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit >300W/(m*K), beispielsweise Silber 429W/(m*K), Kupfer 398W/(m*K). Alternativ oder zusätzlich beträgt die elektrische Leitfähigkeit vorteilhafterweise mehr als 107 S/m (beispielsweise Silber 6i*io6 S/m, Kupfer 58 *io6 S/m).
In diesem Beispiel ist eine Legierung aus Wolfram und Zirkoniumoxid eingesetzt. Der Anteil des Wolframs ist hier beispielhaft 99,3 % und der des Zirkoniumoxids 0,3 % der Masse der Legierung. Der zu 100 % der Masse fehlende Anteil besteht in diesem Beispiel aus mit einem Anteil an der Gesamtmasse 0,15 % Kupfer.
Der in der Figur 2 gezeigte Plasmaschneidbrennerkopf 1 unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Plasmaschneidbrennerkopf in der Innenkontur der Düse. Die Düse 4 weist in ihrem Innenraum, vom vorderen Ende 14 her gesehen, einen zylindrischen Düsenkanal 4.1, einen weiteren im Wesentlichen zylindrischen Raum 4.2 und einen sich konisch erweiternden Raum 4.3 auf. Mit im Wesentlichen zylindrisch ist gemeint, dass die zylindrische Innenfläche dieses Raumes 4.3 größer ist als die Innenfläche des hier gezeigten kleineren konisch ausgebildeten Abschnittes unmittelbar am Düsenkanal 4.1. Die Innenfläche des Raumes 4.3 der Düse 4 verläuft parallel zur Außenfläche 7.1.3 des Abschnittes 7.1.1 der Elektrode 7. So wird eine gute Plasmagasströmung in dem verbleibenden Raum zwischen Düse 4 und Elektrode 7 erreicht. Durch die spitze Bauform der Elektrode 7 ragt der Emissionseinsatz 7.2 in den Raum 4.2 hinein. Die vordere Kreisfläche 7.2.4 der Emissionseinsatzes 7.2. kommt sehr nahe an das Ende des Düsenkanals 4.1. Die Länge Li beträgt hier beispielhaft 1,2 mm. Der Durchmesser D4 des Düsenkanals 4.1 beträgt beispielhaft 1,2 mm. Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.
Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen detaillierter den Aufbau der Elektrode von Figuren 1 und 2. Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen die Elektrode 7, die sich entlang einer Längsachse L erstreckt und ein vorderes Ende 7.4 und ein hinteres Ende 7.3 aufweist.
Die Elektrode besteht aus dem Elektrodenhalter 7.1 und dem Emissionseinsatz 7.2, der hier beispielhaft mit seinem hinteren Abschnitt 7.2.1 in den Elektrodenhalter 7.1 eingepresst und damit kraftschlüssig verbunden ist.
Der Elektrodenhalter 7.1 weist einen hinteren Abschnitt 7.1.2 auf, der hier beispielhaft mit einem Gewinde ausgeführt ist und in die Elektrodenaufnahme 6 des Plasmaschneidbrennerkopfes eingeschraubt werden kann. Der Elektrodenhalter 7.2 weist zum vorderen Ende 7.4 der Elektrode 7 einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 7.1.1. mit einer Außenfläche 7.1.3 auf. Am vorderen Ende befindet sich eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser Di. Ein von der Außenfläche 7.1.3 des konischen Abschnitts 7.1.1 des Elektrodenhalters 7.1 und der Längsachse L eingeschlossener Winkel a beträgt hier beispielhaft 230.
Der Emissionseinsatz 7.2 hat einen in den Elektrodenhalter 7.1 hineinragenden hinteren Abschnitt 7.2.1 und einen aus dem Elektrodenhalter 7.1 herausragenden Abschnitt, der einen zylindrischen Abschnitt 7.2.2 mit dem Durchmesser D2 und einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 7.2.3 mit einer Außenfläche 7.2.5 aufweist.
Der Durchmesser Di beträgt beispielhaft 2,0 mm. Der Durchmesser Di beträgt beispielhaft 2,5 mm. Die Differenz zwischen Di und D2 beträgt 0,25 mm. Durch die geringe Differenz wird erreicht, dass das im Raum zwischen der Düse 4 und der Elektrode 7 (wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt) strömende Plasmagas PG möglichst wenig gestört wird und möglichst gleichmäßig und homogen strömt. Dies sichert eine gute Schnittqualität.
Weiterhin weist der Emissionseinsatz 7.2 zum vorderen Ende 14 hin eine Kreisfläche 7.2.4 auf, die einen Durchmesser D3 von beispielsweise 0,4 mm hat (s. Figur 4). Ein von der Außenfläche 7.2.5 des konischen Abschnitts 7.2.3 des Emissionseinsatzes 7.2 und der Längsachse L eingeschlossener Winkel ß beträgt hier beispielhaft 230. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Winkel a und ß der sich konisch verjüngenden Abschnitte des Elektrodenhalters 7.1 und des Emissionseinsatzes 7.2 gleich groß. Durch die gleiche Größe der Winkel a und ß wird erreicht, dass das im Raum zwischen der Düse 4 und der Elektrode 7 (wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt) strömende Plasmagas PG möglichst gleichmäßig und homogen strömt. Dies sichert eine gute Schnittqualität.
Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.
Der Durchmesser D3 beträgt hier beispielhaft 0,4 mm. Hierdurch wird erreicht, dass die Lebensdauer der Elektrode auch beim Plasmaschneiden mit einem stickstoffhaltigen Plasmagas ausreichend hoch ist und gleichzeitig durch die relativ kleine Kreisfläche 7.2.4 ausreichend zentriert bleibt. So werden eine hohe Lebensdauer und gleichzeitig eine gute Schnittqualität realisiert. Da der Durchmesser D3 in diesem Beispiel 0,4 mm beträgt, beträgt die Kreisfläche 7.2.4 damit 0,125 mm2.
Die Figur 6 zeigt eine Elektrode 7, die sich von der in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Ausführungsformen darin unterscheidet, dass der Innenraum beispielhaft massiv ausgebildet ist. Die Figur 7 zeigt noch einmal die Elektrode aus Figur 1. Die Elektrode hat im Inneren einen Hohlraum 7.12, der sich vom hinteren Ende 7.3 her in Richtung des vorderen Endes erstreckt. Hier ist die Kühlung wesentlich effektiver als bei einer Elektrode nach Figur 6, weil das Kühlmittel durch, wie in Figur 1 und 2 beschrieben, ein Kühlrohr in die Nähe des Emissionseinsatzes geführt wird. Damit erhöht sich ebenfalls die Lebensdauer der Elektrode, insbesondere die des Emissionseinsatzes.
Die beschriebenen Elektroden 7 und der beschriebene Plasmaschneidbrenner 1 werden erfindungsgemäß zum Plasmaschneiden mit einem stickstoffhaltigen Plasmagas. eingesetzt. Dies ist besonders vorheilhaft für das Plasmaschneiden von Werkstücken, die aus einem hochlegierten Stahl, einem rostfreien Stahl oder einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung bestehen. Es ist aber auch möglich, Baustahl zu schneiden.
Dabei werden durch den Einsatz einer Elektrode 7 mit einem Elektrodenhalter 7.1 und einem Emissionseinsatz 7.2 eine hohe Lebensdauer und eine gute Schnittqualität erreicht.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste Plasmaschneidbrennerkopf Düsenkappe Plasmagaszuführung Plasmagasführungsteil Düse Düsenkanal Raum Raum Düsenhalterung Elektrodenaufnahme Elektrode Elektrodenhalter sich verjüngender Abschnitt des Elektrodenhalters hinterer Abschnitt des Elektrodenhalters Außenfläche des sich verjüngenden Abschnitts des Elektrodenhalters Emissionseinsatz im Elektrodenhalter befindlicher hinterer Abschnitt des Emissionseinsatzes 7.2 aus dem Elektrodenhalter herausragender Teil des Emissionseinsatzes 7.2 sich verjüngender Abschnitt des Emissionseinsatzes Kreisfläche des Emissionseinsatzes Außenfläche des sich verjüngenden Abschnitts des Emissionseinsatzes hinteres Ende der Elektrode vorderes Ende der Elektrode Hohlraum Düsenschutzkappenhalterung Düsenschutzkappe Sekundärgasführungsteil Raum Kühlrohr Werkstück Raum 14 vorderes Ende
15 hinteres Ende
Di kleinster Durchmesser des vorderen Endes des Elektrodenhalters 7.1
D2 Durchmesser des aus dem Elektrodenhalter herausragenden Teils des Emissionseinsatzes 7.2
D3 kleinster Durchmesser des vorderen Endes des Emissionseinsatzes 7.2
D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals
L Längsachse der Plasmabrennerkopfes 1 und der Elektrode 7
Li Abstand Elektrode - hinteres Ende Düsenkanal
PG Plasmagas
SG Sekundärgas
WVi, WV2 Kühlmittelvorläufe
WRi, WR2 Kühlmittelrückläufe a Winkel zwischen Außenfläche 7.1.3 des Elektrodenhalters und der Längsachse L ß Winkel zwischen Außenfläche 7.2.5 des Emissionseinsatzes und der Längsachse L

Claims

22
Ansprüche:
1. Elektrode (7) für einen Plasmaschneidbrenner, umfassend einen Elektrodenhalter (7.1) und einem Emissionseinsatz (7.2), die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionseinsatz (7.2) aus einer Legierung zumindest aus Wolfram und mindestens einem der nachfolgend aufgeführten Elemente oder Verbindungen besteht:
Zirconium und/oder Hafnium und/oder Zirconiumoxid und/oder Hafniumoxid.
2. Elektrode (7) nach Anspruch 1, wobei der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids minimal 0,1 %, besser minimal 0,3 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes (7.2) beträgt.
3. Elektrode (7) nach Anspruch 1, wobei der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids maximal 5 %, besser maximal 2 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes (7.2) beträgt.
4. Elektrode (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des Wolframs mindestens 95 %, besser minimal 98 %, am besten 99 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes (7.2) beträgt.
5. Elektrode (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zu 100 % des Volumens oder der Masse verbleibende Anteil der Legierung des Emissionseinsatzes (7.2) zu mindestens 20 %, besser minimal 25 %, noch besser minimal 30 % aus Kupfer und/oder Silber gebildet wird.
6. Elektrode (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (7) ein vorderes Ende (7.4) und ein hinteres Ende (7.3) aufweist, sich entlang einer Längsachse L erstreckt und sich der Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) befindet.
7. Elektrode (7) nach Anspruch 6, wobei zumindest ein Teil des Emissionseinsatzes (7.2) in Richtung des vorderen Endes (7.4) der Elektrode (7) aus dem Elektrodenhalter (7.1) hervorsteht oder herausragt.
8. Elektrode (7) nach Anspruch 7, wobei der aus dem Elektrodenhalter (7.1) hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz (7.2) einen sich in Richtung des vorderen Endes (7.4), vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt (7.2.3) aufweist.
9. Elektrode (7) nach Anspruch 8, wobei eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche (7.2.5) des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts (7.2.3) einen Winkel (ß) von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°zwischen der Außenfläche (7.2.5) und der Längsachse (L) bildet.
10. Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Elektrodenhalter
(7.1) zum vorderen Ende (7.4) einen sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt (7.1.1) aufweist.
11. Elektrode (7) nach Anspruch 10, wobei eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse (L) erstreckende Außenfläche (7.1.3) des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts (7.1.1) einen Winkel (er) von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 250 zwischen der Außenfläche (7.1.3) und der Längsachse (L) bildet.
12. Elektrode (7) nach Anspruch 11, wobei die Winkel (er) und (ß) einen Unterschied von maximal io°, besser von maximal 50 aufweisen, am besten gleich groß sind.
13. Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Emissionseinsatz
(7.2) am vorderen Ende (7.4) der Elektrode (7) eine Kreisfläche (7.2.4) aufweist, die einen Durchmesser (D3) von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.
14. Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei der Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) der Elektrode (7) eine Kreisfläche (7.2.4) aufweist, die einem Durchmesser (D3) von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist.
15. Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei der Emissionseinsatz (7.2) einen größten Außendurchmesser (D2) und der Elektrodenhalter (7.1) einen kleinsten Außendurchmesser (Di) hat, wobei die Differenz zwischen (Di) und (D2) zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.
16. Elektrode (7) für einen Plasmaschneidbrenner, wobei die Elektrode (7) ein vorderes Ende (7.4) und ein hinteres Ende (7.3) aufweist, sich entlang einer Längsachse (L) erstreckt und zumindest einen Emissionseinsatz (7.2) am vorderen Ende (7.4) sowie einen Elektrodenhalter (7.1) aufweist, insbesondere wobei zumindest ein Teil des Emissionseinsatzes (7.2) in Richtung des vorderen Endes (7.4) der Elektrode (7) aus dem Elektrodenhalter (7.1) hervorsteht oder herausragt, insbesondere wobei der aus dem Elektrodenhalter (7.1) hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz (7.2) einen sich in Richtung des vorderen Endes (7.4), vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt (7.2.3) aufweist.
17. Elektrode (7) nach Anspruch 16, wobei eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse (L) erstreckende Außenfläche (7.2.5) des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts (7.2.3) einen Winkel (ß) von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°zwischen der Außenfläche (7.2.5) und der Längsachse (L) bildet. 25
18. Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei der Elektrodenhalter
(7.1) zum vorderen Ende (7.4) einen sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt (7.1.1) aufweist.
19. Elektrode (7) nach Anspruch 18, wobei eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse (L) erstreckende Außenflächen (7.1.3) des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts (7.1.1) einen Winkel (er) von 150 bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°zwischen der Außenfläche (7.1.3) und der Längsachse (L) bildet.
20. Elektrode (7) nach Anspruch 19, wobei die Winkel (er) und (ß) einen Unterschied von maximal io°, besser von maximal 50 aufweisen, am besten gleich groß sind.
21. Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei der Emissionseinsatz
(7.2) am vorderen Ende (7.4) der Elektrode (7) eine Kreisfläche (7.2.4) aufweist, die einen Durchmesser (D3) von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.
22. Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der Emissionseinsatz
(7.2) am vorderen Ende (7.4) der Elektrode (7) eine Kreisfläche (7.2.4) aufweist, die einen Durchmesser (D3) von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist.
23. Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei der Emissionseinsatz
(7.2) einen größten Außendurchmesser (D2) und der Elektrodenhalter (7.1) einen kleinsten Außendurchmesser (Di) hat, wobei die Differenz zwischen (Di) und (D2) zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.
24. Anordnung aus einer Elektrode (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche und einer Düse (4). 26
25. Anordnung nach Anspruch 24, wobei die Winkel zwischen der Außenfläche (7.1.3) des konischen Abschnitts (7.1.1) der Elektrode (7) und der Längsachse (L) sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse (4) und der Längsachse (L) einen Unterschied von maximal io°, besser von maximal 50 aufweisen, noch besser gleich groß sind.
26. Anordnung nach Anspruch 24 oder 25, wobei für einen Abstand Li zwischen dem vorderen Ende (14) der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals (4.1) der Düse (4) gilt: Li< 1,5 mm, besser Li < imm und/oder Li < 1,5 *D4, besser Li < 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals. o.'j. Plasmaschneidbrenner, umfassend eine Elektrode (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, eine Düse (4) und/oder eine Düsenschutzkappe (9) und/oder eine Plasmagasführung (3.1).
28. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 27 mit einer Elektrode nach Anspruch 11 oder 19, wobei die Winkel zwischen der Außenfläche (7.1.3) des konischen Abschnitts (7.1.1) der Elektrode (7) und der Längsachse (L) sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse (4) und der Längsachse (L) einen Unterschied von maximal io°, besser von maximal 50 aufweisen, noch besser gleich groß sind.
29. Plasmaschneidbrenner nach Anspruch 27 oder 28, wobei für einen Abstand Li zwischen dem vorderen Ende (14) der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals (4.1) gilt: Li für einen Abstand Li zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals gilt: Li< 1,5 mm, besser Li < imm und/oder Li < 1,5 *D4, besser Li < 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.
30. Verfahren zum Plasmaschneiden, unter Verwendung eines Plasmaschneidbrenners nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei der 27
Plasmaschneidbrenner (i) mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff als Plasmagas betrieben wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Plasmagasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff besteht.
32. Verfahren zum Plasmaschneiden nach einem der Ansprüche 30 bis 31, wobei der Plasmaschneidbrenner mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff oder Luft oder einem Gasgemisch mit Luft als Sekundärgas betrieben wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Sekundärgasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff oder aus Luft und Argon oder aus Luft und Stickstoff besteht.
34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei mindestens 30 %, besser 50 % und am besten 75 % des Volumens des Plasmagases und/ oder des Sekundärgases aus Stickstoff oder Luft bestehen.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, wobei die Elektrode (7) und/oder die Düse (4) und/oder die Düsenschutzkappe (9) mit einem flüssigen Medium gekühlt wird/werden.
36. Verfahren zum Plasmaschneiden nach einem der Ansprüche 30 bis 35, wobei das zu schneidende Werkstück aus einem hochlegierten Stahl, einem rostfreien Stahl oder einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung besteht.
37. Verfahren zum Plasmaschneiden nach Anspruch 36, wobei das Nichteisenmetall zumindest teilweise aus Aluminium, Kupfer, Titan, Zink oder Zinn besteht.
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