MXPA04011977A

MXPA04011977A - Soplete de corte con plasma con arrancador de alta frecuencia integrado.

Info

Publication number: MXPA04011977A
Application number: MXPA04011977A
Authority: MX
Inventors: A Matus Tim
Original assignee: Illinois Tool Works
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2005-06-10
Also published as: EP1542515A3; CA2484679A1; EP1542515A2; US7022935B1

Abstract

La presente invencion esta dirigida a un sistema que incluye un soplete de corte con plasma que tiene un electrodo de salida y un circuito de arranque de cortador de plasma configurado para generar un arco piloto en el electrodo de salida.

Description

SOPLETE DE CORTE CON PLASMA CON ARRANCADOR DE ALTA FRECUENCIA INTEGRADO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere de manera general a sistemas de corte con plasma y, de manera más particular, aun sistema de corte con plasma en donde un circuito de arranque de alta frecuencia está integrado dentro de un soplete de corte con plasma. Como tal, la cantidad de energía de alto voltaje y alta frecuencia necesaria para arrancar el cortador de plasma se reduce y la cantidad de cables y circuitos expuestos a la fuente de energía se reducen. Además. El soplete de corte con plasma puede ser reconvertido para fuentes de energía sin importar una configuración de instalación para la cual haya sido diseñada la fuente de energía. El corte con plasma es un proceso en el que se utiliza un arco eléctrico para cortar una pieza de trabajo. El soplete o soplete de plasma, se utiliza para fabricar y dar mantenimiento al arco de plasma que ejecuta el corte. La fuente de energía de corte con plasma recibe un voltaje de entrada desde una línea de energía de transmisión o generador y proporciona un voltaje de salida a un par de terminales de salida, de las cuales una está conectada a un electrodo y la otra a la pieza de trabajo. El suministro de aire se utiliza con la mayoría de las cortadoras de plasma para ayudar a arrancar el arco, proporcionar el gas de plasma al soplete, y enfriar el soplete. Un electrodo fijo o móvil sirve como un cátodo y una boquilla móvil sirve como ánodo. El suministro de aire mueve el electrodo y a medida que el electrodo se mueve en alejamiento desde la boquilla, abre la boquilla, y se crea un chorro de plasma, el chorro de plasma ocasiona que el arco se transfiera a la pieza de trabajo, y esto inicia el proceso de cortado. En otros sistemas de corte con plasma, se utiliza un arrancador de alta frecuencia para iniciar el proceso de cortado. La mayoría de los sistemas de corte con plasma implementan uno de los dos métodos de iniciación del arco de corte con plasma: arranque de alta frecuencia (HF) y el método de contacto antes descrito. Los sopletes de arranque por contacto usan un electrodo móvil o boquilla para crear una chispa inicial para ionizar el gas de corte y generar un arco piloto. Un soplete de arranque por contacto empiezan con el electrodo y la boquilla en contacto que ocasionan un corto circuito, hasta que el gas alcanza el corto, el cual sopla los electrodos y/o la boquilla aparte para crear una chispa a través del espacio recién formado. La chispa ioniza el gas permitiendo de esta manera que la corriente fluya a través del espacio recién formado entre la boquilla y el electrodo y crea un arco piloto. En tanto que el arranque por contacto es un método común de inicio de un proceso de corte con plasma, presenta desventajas. De manera específica, el electrodo y/o boquilla en movimiento son particularmente susceptibles al desgaste. Además, los diseños son muy complejos y son susceptibles a ensamble erróneo, desalineación o ruptura de las partes móviles. En contraste, el arranque HF es un método para generar un arco piloto sin partes móviles o el desgaste asociado con el acortamiento y la ruptura de la boquilla y el electrodo. Para ejecutar el arranque HF, un soplete de plasma se conecta a una fuente de energía que tiene un circuito de arranque HF. El circuito incluye de manera común un transformador de alto voltaje, capacitores para acondicionamiento de energía y un ensamble de gas para genera una chispa de alto voltaje en el electrodo de soplete. Cuando se transfirió la suficiente energía desde la fuente de energía hacia el soplete, una chispa enciende desde el electrodo y ioniza el gas entre el electrodo y la boquilla. Esta ionización permite que la corriente fluya a través del espacio de aire entre la boquilla y el electrodo. El resultado es un arco piloto para iniciar el corte. El arranque HF requiere de manera general un voltaje del orden de 3.5 kV hasta 5 kV para generar la chispa de ionización. Como tal, el transformador de alto voltaje y la bobina de acoplamiento requerida para operar a tal voltaje son relativamente grandes, lo cual puede agregarse al tamaño del sistema cortador de plasma haciendo incomoda la portabilidad. El alto voltaje debe ser trasladado también una distancia considerable desde la fuente de energía hasta el soplete. No es poco común que la distancia entre la fuente de energía y el soplete alcance distancias de más de cincuenta pies, dando como resultado pérdidas significativas. Este problema es complejo a medida que la distancia desde la fuente de energía hacia el soplete varía a medida que el cable que conecta los dos componentes se mueve y estira. Además, las longitudes extendidas del cable o conductor de energía pueden ser susceptibles a condiciones de trabajo relativamente severas que pueden afectar de manera negativa la energía HF que es transferida hacia el soplete. Por ejemplo, los cortadores de plasma son operados de manera común dentro de ambientes de manufactura grandes o en un sitio en campo. Además de esos ambientes de operación típicamente adversos, los circuitos de arranque HF generan de manera común una cantidad considerable de ruido eléctrico. Dicho ruido puede ser particularmente indeseable en procesos de manufactura sensible en donde la interferencia eléctrica puede impactar la capacidad de operación del proceso de manufactura. Adicionalmente, los sistemas de arranque HF son mutuamente exclusivas a partir de los sistemas de arranque por contacto. Es decir debido a que tanto la fuente de energía y el soplete deben ser adaptados de manera específica al método de arranque, las fuentes de energía de arranque por contacto y HF y sopletes no pueden intercambiarse sin modificaciones.

Por lo tanto sería deseable diseñar un sistema de corte con plasma que es capaz de generar un arco piloto en tanto que se reducen las desventajas antes mencionadas de los circuitos de arranque por contacto y HF tradicionales. De manera específica sería deseable diseñar un sistema de corte con plasma con un circuito de arranque HF con requerimientos de voltaje reducidos. De manera adicional, sería deseable que el sistema fuera capaz de ser readaptado para sistemas de corte con plasma sin importar si el sistema está diseñado para arranque por contacto o HF.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención está dirigida a sistemas para corte con plasma que superan las desventajas antes mencionadas. De manera específica, la presente invención proporciona un sistema de arranque HF de un proceso de corte con plasma con requerimientos de voltaje reducidos. De manera adicional, la presente invención reduce la interdependencia de componentes y se puede integrar con los sistemas de corte con plasma existentes. Por lo tanto, de acuerdo con un aspecto de la presente invención, un soplete de corte con plasma incluye un cuerpo de soplete, un electrodo de salida colocado en el cuerpo de soplete y un circuito de arranque de cortador de plasma colocado en el cuerpo de soplete y configurado para generar un arco piloto en el electrodo de salida. De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se describe un equipo de manufactura que incluye un soplete de corte con plasma configurado para acoplar operativamente con una fuente de energía y un circuito de arranque de arco piloto configurado para suministrar al soplete de corte con plasma un arco piloto independiente de una configuración de arranque de la fuente de energía.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se describe un ensamble de corte con plasma que incluye una fuente de energía, un soplete de corte con plasma y un circuito de arranque colocado dentro del soplete de corte con plasma y configurado para suministrar al soplete de corte con plasma con un arco piloto independiente de un mecanismo de arranque de la fuente de energía. Muchas otras características, objetos y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y de los dibujos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos ilustran una modalidad preferida actualmente considerada para llevar a cabo la invención. En los dibujos; La figura 1 es una vista en perspectiva de un sistema de corte con p^sma que incorpora la presente invención. La figura 2 es una vista en sección transversal de un soplete de corte con plasma de acuerdo con la presente invención. La figura 3 es una representación gráfica de un sistema de arranque de corte con plasma operable con el sistema de corte con plasma mostrado en la figura 1.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA La presente invención está dirigida a un sistema para el arranque de un proceso de corte con plasma. De manera específica, la presente invención proporciona un sistema de arranque HF de un proceso de corte con plasma con requerimientos de voltaje reducidos. De manera adicional, la presente invención reduce la interdependencia de componentes y puede ser reconfigurada para fuentes de energía configuradas para cortadores de plasma de arranque por contacto. Haciendo referencia a la figura 1 , se muestra un sistema de corte con plasma 10. El sistema de corte con plasma es u sistema de alto voltaje con voltajes de salida de circuito abierto máximos que varían desde aproximadamente 230 Voltios de Corriente Directa (VCD) hasta más de 300 VCD. El sistema de corte con plasma 10 incluye una fuente de energía 12 para acondicionar la energía original y regular/controlar el proceso de corte. De manera específica, la fuente de energía incluye un procesador que, como se describirá, recibe retroalimentación operativa y controla el sistema de corte con plasma 10 en consecuencia. La fuente de energía 12 incluye medios elevadores, tales como un asa 14 la cual efectúa la transportación de un sitio a otro. Conectado a la fuente de energía 12 está un soplete 6 por medio del cable 18. El soplete 16 está definido por lo menos por un cuerpo de antorcha o alojamiento 17 que encierra un electrodo de corte con plasma encerrado en un ensamble consumible 9. De manera común, el ensamble consumible 19 tiene un inserto formado en el mismo que exhibe propiedades eléctricas preferibles. Es decir, el inserto está formado de manera preferible por hafnio o circonio. El cable 18 proporciona al soplete 16 la energía y sirve como enlace de comunicaciones entre el soplete 16 y la fuente de energía 12. El cable 18 contiene dos trayectorias conductoras. Un enlace de comunicaciones conductivo o trayectoria de comunicación está dedicada a la transferencia de energía para alimentar el electrodo de corte con plasma y la otra trayectoria conductiva está dedicada a la transferencia de retroalimentación hacia la fuente de energía 12. En una modalidad alternativa, el cable 18 contiene una trayectoria conductiva entre el soplete 16 y la fuente de energía 12 para transferir tanto retroalimentación operativa como energía. De manera específica, una trayectoria conductiva individual está contenida dentro del cable 18 que transfiere de manera simultánea energía y retroalimentación desde el soplete de plasma con respecto al proceso de corte con plasma. También conectado a la fuente de energía 12 está un sujetador de trabajo 20 que está diseñado para completar el circuito para una pieza de trabajo (no mostrada) que se va a cortar. La conexión del sujetador de trabajo 20 a la fuente de energía 2 es un cable 22 diseñado para proporcionar una trayectoria de retorno para la corriente de corte desde el soplete a través de la pieza de trabajo y el sujetador de trabajo 20. Extendiéndose desde una porción posterior de la fuente de energía 12 está el cable de energía 24 que tiene el enchufe 26 para conectar la fuente de energía 12 a un suministro de energía portátil 28 o un receptáculo de energía de transmisión (no mostrado). La fuente de energía 12 incluye además un interruptor de ENCENDIDO/APAGADO 30. Para efectuar el corte de una pieza de trabajo, el soplete 16 es colocado en estrecha proximidad as una pieza de trabajo conectada al sujetador 20. Un usuario puede activar entonces un bloqueador de arrancador (no mostrado), en respuesta a lo cual una señal de retroalimentación es enviada desde un sensor de arrancador colocado dentro del soplete 16 y conectado al bloqueador de arrancador en el soplete 16 por medio del cable 18. Al llegar a la fuente de energía 12, la retroalimentación es procesada dentro de la fuente de energía. Al presionar el interruptor de encendido, otra señal de retroalimentación es enviada desde el sensor de arrancador colocado dentro del soplete 16 hacia la unidad de procesamiento de la fuente de energía 12. Una vez que la señal del interruptor de arrancador es procesada, la unidad de procesamiento de la fuente de energía ocasiona que la energía sea enviada hacia el soplete 16 para iniciar un arco piloto. Como se describirá, la fuente de energía 12 transmite energía por medio del cable 18 hacia el soplete 16. El circuito de arranque HF en el soplete 16 está configurado para suministrar energía de alto voltaje y alta frecuencia hacia el ensamble consumible 19 del soplete 16 independiente de una configuración de arranque de la fuente de energía 12. Es decir, la fuente de energía 12 proporciona energía operativa normal al soplete 16 al inicio y el circuito de arranque HF del soplete 16 proporciona el voltaje necesario para generar un arco piloto que se requiere para iniciar el proceso de corte con plasma. Para ayudar en la generación de un arco piloto y a fin de permitir la generación de un plasma para corte, el gas es suministrado hacia el soplete 16 desde una fuente de gas presurizado 39. Haciendo referencia ahora a la figura 2, se muestra una sección transversal de un soplete de corte con plasma 16. El soplete de plasma 16 está definido por un cuerpo de soplete 36 que esta diseñado para recibir una copa de protección 38. La copa de protección 38 está conectada al cuerpo de soplete 36 para definir una cámara de gas 40 que, como se describirá con mayor detalle a continuación, permite la generación y el paso de un plasma. Colocado de manera central dentro de la cámara de gas 40 y conectado al cuerpo de soplete 36 está el consumible o electrodo 42. El consumible 42 está conectado de manera removible al cuerpo de soplete 36 y está diseñado de manera específica para un proceso de corte con plasma particular. Es decir, el soplete 16 está construido de manera que varios consumibles pueden ser conectados de manera intercambiable dependiendo de los detalles particulares de un proceso de corte con plasma que se va a llevar a cabo. Conectada a I copa de protección 38 está la punta 44 que está construida para formar una boquilla 46. En la operación, el gas es inyectado dentro de la cámara 40 por medio de pasajes 48 y es calentado hasta un plasma. El plasma es forzado después fuera de la cámara a través de la boquilla 46 y fuera de la punta 44 por medio de la abertura u orificio de abertura 50. La boquilla 46 está diseñada para enfocar la velocidad así como el calor de un arco que se crea entre una pieza de trabajo (no mostrada) y el electrodo 42. El electrodo 42 está construido de manera que el arco se extiende a través de una trayectoria de arco 52 fuera del consumible a través de la abertura 50. Haciendo referencia ahora a la figura 3, se muestra una representación gráfica del sistema de arranque de corte con plasma referido en la figura 1. La fuente de energía 12 incluye tres conexiones eléctricas 54-58 hacia el soplete 16 y la pieza de trabajo 60. De manera específica, la pieza de trabajo 60 está conectada a una primera conexión eléctrica de polaridad positiva 58 por medio del sujetador 61. Además, una conexión eléctrica de polaridad negativa 54 y una segunda conexión eléctrica de polaridad negativa 56 se establecen por medio del cable 18 entre la fuente de energía 12 y un circuito de arranque HF 62 colocado dentro del soplete 16. Una segunda conexión eléctrica de polaridad positiva se estabjece entre la fuente de energía 12 y la pieza de trabajo 60 por medio del cable 22. Las segundas conexiones eléctricas de polaridad negativa y positiva 54, 56 están conectadas a una bobina de acoplamiento 66, la cual a su vez, está eléctricamente conectada al ensamble consumible 19. De manera específica, la conexión de polaridad negativa es suministrada desde la bobina de acoplamiento 66 hacia un electrodo de corte 42 y la conexión de polaridad positiva es suministrada desde la bobina de acoplamiento 66 hacia la punta 44. Conectado a la bobina de acoplamiento 66 está un transformador de alto voltaje 64. El transformador de alto voltaje 64 es controlado por una línea de control 65. La línea de control 65 sirve para ocasionar que encienda el circuito de arranque HF 62. En tanto que la línea de control 65 se muestra para propósitos ilustrativos como está conectada a la fuente de energía 12, también se considera que los comandos de control pueden ser generados y comunicados dentro del soplete 16. Como tal, la línea de control 65 se originaría dentro del soplete 16 y terminaría en el transformador de alto voltaje 64, permaneciendo de esta manera dentro del soplete 16 y rediciendo al mínimo la longitud de la línea de control 65. Cuando se inicia un proceso de corte con plasma, la energía operativa es suministrada desde la fuente de energía 12 hacia el circuito de arranque HF 62. El circuito de arranque HF 62 escala el voltaje hasta una energía de alto voltaje y alta frecuencia y proporciona la energía hacia el electrodo 42. La energía de alto voltaje y alta frecuencia ocasiona que se encienda una chispa entre el electrodo 42 y la punta 44 y ioniza el gas dentro del espacio entre el electrodo 42 y la punta 44. El gas ionizado permite que la corriente fluya a través del espacio de aire entre la boquilla 46 y el electrodo 42. El resultado es un arco piloto, el cual es utilizado para iniciar el corte. La colocación del circuito de arranque HF 62 dentro del soplete 16 tiene un número de ventajas. Los ejemplos de algunas de esas ventajas se muestran a continuación. En primer lugar, un ciclo eléctrico 72 creado desde el circuito de arranque HF 62 hacia el ensamble consumible 19 y de regreso hacia el circuito de arranque HF está a una distancia fija y es muy reducido en longitud. Es decir, en sistemas en donde el circuito de arranque HF esté colocado dentro de la fuente de energía 12, la energía de alto voltaje y alta frecuencia debe ser transmitida por medio del cable 18, el cual de manera común es de cincuenta pies o más de longitud. Como tal, un ciclo de más de 100 pies se crea desde la fuente de energía 12 hasta el ensamble consumible 19 y de regreso. Además, la distancia exacta del ciclo puede variar dependiendo de la longitud del cable 18. Por otra parte, por medio de la colocación del circuito de arranque HF 62 dentro del soplete 16, el transformador de alto voltaje 64 está dentro de aproximadamente doce pulgadas del ensamble consumible 19. Por lo tanto, la energía de alto voltaje y alta frecuencia es transmitida una distancia fija de unas cuantas pulgadas a través del ciclo eléctrico 72.

Como un resultado de la distancia fija y reducida del ciclo eléctrico 72, se reducen las pérdidas. Es decir, las pérdidas debidas a la resistencia reducida del ciclo 72 en comparación con los ciclos eléctricos de longitud significativa de los sistemas de corte con plasma que tienen un circuito de arranque HF en la fuente de energía. Además, ya que el tamaño del ciclo 72 es fijo, el circuito de arranque HF 62 puede ser calibrado para proporcionar energía óptima al ensamble consumible 19 en vez de la sobre energía necesaria para explicar las fluctuaciones en la distancia del ciclo. Como tal, el ruido electrónico debido a la transmisión de energía de alto voltaje y altar frecuencia hacia el ensamble consumible 19 se reduce de manera significativa. El ruido electrónico generado por la transmisión de energía de alto voltaje y alta frecuencia alrededor del ciclo 72 dentro del soplete es relativamente insignificante. Además, con la colocación del circuito de arranque HF 62 en el soplete 16, el transformador de alto voltaje 64 está a aproximadamente 12 pulgadas del ensamble consumible 19. Debido a esta estrecha proximidad de los componentes, el voltaje necesario para generar un arco piloto se reduce en un factor de aproximadamente cinco. En consecuencia, por medio de la colocación del circuito de arranque HF 62 en el soplete 16, el transformador de alto voltaje 64 y la bobina de acoplamiento 66 pueden ser reducidos en un factor de aproximadamente cinco. Por lo tanto, por medio de la colocación del circuito de arranque HF 62 dentro del soplete 16, es necesario un menor voltaje para generar un arco piloto y como tal, los componentes del circuito de arranque HF 62 se pueden reducir en tamaño. De igual manera, al tener el circuito de arranque HF 62 dentro del soplete 16, el soplete 16 ya no depende de la fuente de energía 12 para la instalación. Como tal, el soplete 16 puede operar con cualquier fuente de energía sin importar el método de instalación con el que haya sido diseñada la fuente de energía. Es decir, el soplete 16 puede ser redlseñado para fuentes de energía diseñadas para sopletes de plasma de arranque HF o por contacto debido a que, incluso en la instalación, el soplete 16 solamente requiere de energía desde la fuente de energía 12. Por lo tanto, la interdependencia de instalación entre el soplete 16 y la fuente de energía 12 es eliminada y el soplete 16 puede ser fácilmente intercambiado con varias configuraciones de fuente de energía. Se considera que la invención antes descrita se presentó en una amplia variedad de sopletes de corte con plasma. De manera específica, la invención es igualmente aplicable para sopletes de corte controlados en forma manual así como sopletes de corte controlados en forma robótica o por computadora. Se considera además que la presente invención está presentada en un soplete de corte con plasma que incluye un cuerpo de soplete, un electrodo de salida colocado en el cuerpo de soplete y un circuito de arranque de corte con plasma colocado en el cuerpo de soplete y configurado para generar un arco piloto en el electrodo de salida. Se considera también que la presente invención está presentada como un equipo de manufactura que incluye un soplete de corte con plasma configurado para acoplar operativamente una fuente de energía y un circuito de arranque de arco piloto configurado para suministrar al soplete de corte con plasma con un arco piloto independiente de una configuración de arranque de la fuente de energía. De manera adicional, se considera que la presente invención está presentada en un ensamble de corte con plasma que incluye una fuente de energía, un soplete de corte con plasma y un circuito de arranque colocado dentro del soplete de corte con plasma, y configurado para suministrar al soplete de corte con plasma con un arco piloto independiente de un mecanismo de arranque de la fuente de energía. Se ha descrito la presente invención en términos de la modalidad preferida, y se reconoce que son posibles equivalentes, alternativas y modificaciones además de aquellas expresamente establecidas y están dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un soplete de corte con plasma que comprende: un cuerpo de soplete; un electrodo de salida colocado en el cuerpo de soplete; y un circuito de arranque de cortador de plasma colocado en el cuerpo de soplete y configurado para generar una señal de arco piloto y suministrar la señal de arco piloto hacia el electrodo de salida para ocasionar la generación de un arco piloto.

2. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1 , que comprende además un arrancador de corte, en donde la señal de arco piloto generada por circuito de arranque de cortador de plasma es una energía de alto voltaje y alta frecuencia transferida hacia el electrodo de salida del soplete de corte con plasma a la activación del arrancador de corte.

3. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el electrodo de salida del soplete de corte con plasma está configurado para recibir la energía de alto voltaje y alta frecuencia para ocasionar la generación del arco piloto a través de un espacio de aire hacia la pieza de trabajo.

4. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el cuerpo de soplete incluye un asa y en donde el circuito de arranque de cortador de plasma está colocado dentro del asa.

5. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el circuito de arranque de cortador de plasma está configurado para suministrar una energía de alto voltaje y alta frecuencia hacia el electrodo de salida independiente de una configuración de arranque de una fuente de energía del cortador de plasma a la cual está conectado el soplete.

6. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el circuito de arranque de cortador de plasma está colocado dentro de un soplete de corte con plasma controlado en forma manual.

7. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el circuito de arranque está configurado además de manera que la radiación de ruido a partir del circuito de arranque de cortador de plasma es insignificante.

8. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1 , caractenzado porque el soplete de corte con plasma es operable con una fuente de energía configurada para un cortador de plasma de arranque por contacto.

9. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el circuito de arranque de cortador de plasma está colocado dentro de un soplete de corte con plasma robótico.

10. El soplete de corte con plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de arranque está configurado además para generar un arco piloto en el electrodo de salida para ionizar el gas e iniciar la generación de un plasma.