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Verfahren zur Materialabnahme bei rostfreiem Stahl oder
Nichteisen-Metallen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialabnahme bei Nichteisenmetallen und rostfreien
Stählen, bei welchem das abzunehmende Material einem durch einen elektrischen Lichtbogen erhitzten
Strom eines Gases wie Stickstoff. Wasserstoff oder einer Mischung von Sticksotff und Wasserstoff ausgesetzt wird.
Erfindungsgemäss ist das Verfahren zur Materialabnahme bei rostfreien Stählen und Nichteisume - tallen dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Bogen ein verengter Bogen ist. der zwischen einer sich nicht verbrauchenden Elektrode und dem abzunehmenden Material gebildet wird und dass der Bogenstrom
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selben durch einen Ringraum zwischen einer unverbrauchbaren Metallelektrode und der dazu konzentri- schen Innenwand einer diese Elektrode umgebenden wassergekühlten Düse und eine den Lichtbogen ver- engende Austrittsöffnung abgegeben wird. Das austretende Gas wird auf ein Werkstück gerichtet, das aus einemNichteisenmetall oder rostfreiem Stahl besteht.
Das Werkstück ist mit einer geeigneten elektrischen i Stromquelle in einem Stromkreis angeordnet, so dass zwischen dem Ende der Elektrode und dem Werk- stück ein Lichtbogen gebildet wird. Die so erhaltene strahlförmige Austrittsströmung wird dazu verwendet, das Werkstück anzuschärfen, auszuhöhlen, zu durchlöchern, zu schneiden, zu teilen oder auf andere Weise
Metall von dem Werkstück zu entfernen.
Es sind bereits einige Verfahren zum Schneiden von Nichteisenmetallen und rostfreien Stählen be- kannt geworden, bei denen jedoch kein verengter Lichtbogen verwendet wird. Durch die geringe Ge- schwindigkeit des Gases bei diesen Verfahren wird das Metall nicht ausgeworfen und auch die Schneide- geschwindigkeit ist verhältnismässig gering.
Bei andern bekannten Verfahren wird der Lichtbogen zwischen Elektroden gebildet und ein Gas in die
Flamme eingeführt, welches durch den Bogen erhitzt wird und als Gasstrom wieder austritt. Damit der heisse Gasstrom nicht mit kaltem Gas in Berührung kommt, sind besondere Abschirmungen erforderlich.
Allen bekannten Verfahren haftet der Nachteil an, dass es bei Geschwindigkeiten bis zu 101, 6 cm pro Minute schwierig ist, Aluminium oder Magnesium mit einem Stickstofflichtbogen zu schneiden, ohne sehr schlechte Schnitte mit anhaftender Schlacke zu erhalten. Es wurde daher von den Fachleuten angenom- men, dass ein Schneiden mit höheren Geschwindigkeiten nicht möglich sei. Gemäss dem erfindungsge- massen Verfahren können überraschenderweise mit diesem Gas bei höheren Geschwindigkeiten einwand- freie Schnitte erzielt werden. Es hat sich hiebei gezeigt, dass derartige Schnitte unabhängig von der Dicke des Werkstückes erzielt werden können. Bei Zusatz von Wasserstoff zu dem Stickstoff kann mit völlig einwandfreien Ergebnissen die Mindestgeschwindigkeit bei dünnen Werkstücken (z. B. von 1,6 mm) bis auf
25, 4 cm pro Minute und bei dicken Werkstücken (z.
B. von 25, 4 cm) noch weiter herabgesetzt werden.
Ausserdem ermöglicht der erfindungsgemässe Zusatz von Wasserstoff zu dem Stickstoff beim Schneiden von
Nichteisenmetallen wie Aluminium, Magnesium, Kupfer und Nickel mit einem Lichtbogen eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten über die mit Stickstoff allein erzielten Werte.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zur Erzielung guter Schnitte nur sehr geringe Gasmengen, be- stehend aus Stickstoff oder aus vorwiegend Stickstoff enthaltenden Gemischen erforderlich sind. Dies ist
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überraschend, weil bei Verwendung des üblichen Gemisches, das aus 35 Vol. -0/0 Stickstoff und 65 Vol.-%
Argon besteht, die Mindestmenge pro Zeiteinheit etwa doppelt so gross ist als bei Verwendung von Stick- stoff. Man kann Stickstoff in einer Menge von nur 710 l pro Stunde verwenden, ohne dass schädliche Wir- kungen eintreten. Stickstoff oder Stickstoff-Wasserstoff-Gemische sind reduzierend wirkende Gase, die ì die Schnittflächen anscheinend vor einer übermässigen Oxydation schützen.
Wenn unter Bedingungen ge- schnitten wird, die zu einwandfreien Schnitten führen, sind daher vor dem Schweissen von nach dem er- findungsgemässen Verfahren geschnittenen Teilen keine weiteren Vorbereitungen erforderlich.
Wasserstoff hat einen etwas höheren Widerstand als Stickstoff, weil eine Ruhespannung von100 Volt zur
Bildung und Aufrechterhaltung eines Lichtbogens in Stickstoff genügt, während bei Zusatz steigender
Wasserstoffmengen zu dem Stickstoff eine Ruhespannung von bis zu 160 Volt zur Bildung und Aufrechter- haltung des Lichtbogens erforderlich ist. Die erforderliche Ruhespannnng ist dem Wasserstoffgehalt des
Gasgemisches annähernd direkt proportional. In dem erfindungsgemässen Verfahren ist besonders beim
Schneiden von Grobblech eine hohe Spannung erwünscht, damit der Schnitt durch die Dicke des Bleches hindurch erfolgt und gleichzeitig tadellose, schlackenfreie Schnittspalte erhalten werden. Bei Verwendung so hoher Spannungen kann man die erforderliche Wärmeleistung vorteilhaft mit einer niedrigen Strom- stärke erzielen.
Bei der Verwendung von Stickstoff oder von Stickstoff-Wasserstoff-Gemischen wird die Tendenz zur
Bildung von Doppel-Lichtbogen auf ein Minimum reduziert. Da Stickstoff und Wasserstoff einen sehr hohen
Widerstand haben, bildet sich anscheinend zwischen dem austretenden Lichtbogen und der Innenseite des
Metalleinsatzes eine Isolierschicht, welche die Tendenz des Lichtbogens, von der Wolfram-oder Kupfer- elektrode auf die Innenwand der Düse und von dort auf die Grundplatte überzuspringen, vermindert.
In dem erfindungsgemässen Verfahren erfolgt eine Dissoziation der Stickstoff- bzw. Wasserstoffmo- leküle in ihre Atome. Beispielsweise werden an dem Lichtbogen für jedes ihm zugeführte Gasvolumen zwei Gasvolumen erzeugt, z. B. N z= 2 bzw. Ei = 2tri. Diese Dissoziation ergibt einen zusätzlichen
Strahleffekt, der in dem erfindungsgemässen Verfahren zur Entfernung des schmelzflüssigen Metalls und der Schlacke von den Wandungen der Schnittspalte verwendet wird. Ausserdem fördert die Wiedervereini- gung dsr Wasserstoff- bzw. Stickstoffatome oder -ionen am Werkstück die Metallabnahme.
Da Wasserstoff das leichteste bekannte Gas ist, ergibt es eine äusserst schnelle, strahlartige Strömung,. welche die Schlacke entfernt und die Wandungen des Schnittspaltes mechanisch säubert. Vorzugsweise enthält das Gemisch jedoch einen bestimmten Anteil eines schweren Gases, damit die Bewegungsgrösse des Stromes erhöht wird und einwandfreie Schnitte mit wesentlich geringeren als den bei Wasserstoff erfor- derlichenStrömungsmengen erhalten werden. Als schwereres Gas kann z. B. Argon, Stickstoff oder Sauer- stoff verwendet werden. Durch Mischen von Stickstoff, der das Molekulargewicht m3 hat. mit H2 erhli1t man ein Gas, das die zur Erzielung der schnellen. strahlartigen Strömung erwünschte Geschwindigkeit hat.
Stickstoff allein erzeugt Schnitte in den meisten Metallen. Die Güte des Schnittes in Magnesium- und Aluminiumlegierungen ist erhöht, wenn dem Stickstoff Wasserstoff'zugesetzt wird.
Bei Verwendung der üblichen Stromquellen mit einer Ruhespannung von 110 Volt ist zur Erzielung einwandfreier Schnitte inKu. pierttnd' seinen Legierungen und Nickel und seinen Legierungen belallen Ge- schwindigkeiten die Verwendung von reinem Stickstoff empfehlenswert. In Aluminium und seinen Legie- rungen und Magnesium und seinen Legierungen sind bei Verwendung von Stickstoff Schnittgeschwindigkei- ten über 101,6 cm pro Minute erforderlich. Zur Verbesserung der Güte der Schnitte beim Schneiden von
Aluminium und Magnesium bei allen Geschwindigkeiten und zur Erzielung höherer Schnittgeschwindig- keiten bei einer gegebenen Lichtbogenstromstärke wird dem Stickstoff vorzugsweise 15 Vol. *Wasserstoff zugesetzt.
Beim Schneiden von rostfreien Stählen unter Verwendung von reinem Stickstoff oder von Stickstoff mit einem kleinen Zusatz von Wasserstoff erhält man ausgezeichnete Ergebnisse ; die Schnitte siad recht- winklig. glatt und frei von anhaftender Schlacke. Beim Schneiden von 6, 8 mm und. 12, 6 mm starkem rostfreiem Stahl mit verschiedenen Geschwindigkeiten von 50, 8 bis 508 cm pro Minute und unter Verwen- dung von 2002 1 reinem Stickstoff pro Stunde erhält man Sehnitsspalte mit sauberen Rändern. Bei Verwendung von Stickstoff erhält man ferner ausgezeichnete Schnitte mit Strömungsmengen von nur 708 I pro Stunde bei Verwendung von Begrenzungsöffnungen mit einem Durchmesser von 3, 17 bis 3, 97 mm.
Ähnlich gute Schnitte können erzielt werden, wenn dem Stickstoff eine k1eme. Menge (bis zu etwa
20 Viol.-'%') Wasserstoff zugesetzt wird. Bei Verwendung grösserer Anteile von Wasserstoff überbrücktdie
Schlacke den Schnittspalt und hindert das Abfallen des abgetrennten Materials von dem Werkstück.
Beim Schneiden von rostfreiem Stahl mit demLichtbogenbrenner und Verwendung von Stickstoff wird - die Güte der Wandungen des. SchnitCEpalts gegenüber den mit Argon, Helium oder Argon-Wasserstoffge-
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mischen normalerweise erzielten Ergebnissen erhöht. Stickstoff oder Stickstoff-Wasserstoff-Gemische haben eine reduzierende Wirkung und verhindern eine übermässige Oxydation der Schnittflächen durch die Luft.
Derartige Schnittflächen aufweisende Teile können daher ohne weitere Vorbereitung geschweisst werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch erläutert, wobei der Brenner im Vertikalschnitt darge- stellt ist.
Ein Lichtbogen-Schneidbrenner 1 wird von Hand über dem aus Metall bestehenden, zu schneidenden
Werkstück 2 gehalten oder von geeigneten Mitteln, z. B. einem (nicht gezeigten) üblichen Schlitten ge- tragen. Ein derartiger Brenner besitzt eine Wolframelektrode 3, deren zugespitztes unteres Ende zentral innerhalb der verjüngten ringförmigeninnenwand 4 eines aus Kupfer bestehenden, wassergekühlten Düseneinsatzes 5 angeordnet ist, der ohne weiteres herausgenommen und ausgetauscht werden kann. Dieser Du- seneinsatz hat eine Mündung 6, durch die der Lichtbogen und das Gas austreten. Das Gas, hier Stickstoff allein oder im Gemisch mit Wasserstoffgas, wird dem Brenner durch einen GaszufUhrungsschlauch 7 von einem Strömungsmesser 8 zugeführt, der über einen Hauptschaltkasten 10 an eine Gasleitung 9 angeschlos- sen ist.
Das Werkstück 2 ist an den Pluspol einer Gleichstromquelle 11 über eine an den Pluspol eines Hoch - frequenzgenerators 13 angeschlossene Zuleitung 12 und über eine Zuleitung 14 angeschlossen, die die
Plusklemmen des Hochfrequenzgenerators und der Gleichstromquelle verbindet. Ein Hochfrequenzkabel
22 verbindet den Hochfrequenzgenerator 13 mit dem Hauptschaltkasten 10. Der Minuspol der Gleich- stromquelle 11 ist über die Zuleitung 15, das Schütz 16. die Zuleitung 17, die Minusklemme des Hoch - frequenzgenerators 13, die Zuleitung 18, denHauptschaltkasten 10 und die Zuleitung 19 an die Elektrode 3 angeschlossen. Das Schütz 16 ist über ein Hauptschützkabel 20 an den Hauptschaltkasten angeschlossen.
Ferner ist die Gleichstromquelle über die Zuleitung 14, den Hochfrequenzgenerator 13, die Zuleitung 21,
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ners angeschlossen. An den Schaltkasten 10 ist ferner ein Zuleitungskabel 24 angeschlossen, das von einer
Steuerstromquelle von 115 Volt Wechselstrom herführt, ferner ein Wasserzuflussrohr 25 und ein Wasser- abflussrohr 26, sowie über einFernbedienungskabel 28 einFernbedienungskasten 27. Das Kühlwasser für den
Brenner wird zwischen dem Schaltkasten und dem Brenner über einen Wasserzuflussschlauch 29 für den Schneidbrenner und einen Wasserabflussschlauch 30 geleitet, der auch das Stromkabel 19 für den Brenner enthält.
In dem erfindungsgemässen Lichtbogen-Schneidbrennverfahren wird ein verengter Lichtbogen 31 von äusserst hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit verwendet, der zwischen dem Ende der Wolframelektrode 3 und dem zu schneidenden Werkstück 2 gebildet wird. Die konzentrierte und säulenartig wir- kende Energie des Lichtbogenstroms bewirkt, dass eine dünne Schicht des Metalls rasch geschmolzen und ausgeworfen und dadurch ein Schnitt : pa7. t32 gebildet wird. Infolge der strahlartigen Wirkung der Gasströmung wird das schmelzflüssige Metall entfernt, wobei die Gasatmosphäre des aus dem Brenner austretenden Stroms eine Oxydation der Wandungen des Schnittspalts verhindert. Der Lichtbogen wird infolge der Verwendung eines Düseneinsatzes 5 mit einer Austrittsöffnung von 3, 17 oder 3, 97 mm Durchmesser verengt.
Ein zur Zündung des Lichtbogens erforderlicher Hilfsstromkreis mit den Leitungen 21 und 23 dient zum Anschluss der Düse über einen oben auf dem Schaltkasten 10 angeordneten Strombegrenzungswiderstand 33 an den Pluspol der Stromquelle.
Bei Verwendung von Stickstoff- und/oder Wasserstoffgas kann der Brenner auf zwei Arten in Betrieb gesetzt werden. Beim mechanisierten Schneiden wird der Hochfrequenzgenerator zusammen mit dem ZUndlichtbogenkreis zum Zünden des Schneidlichtbogens verwendet. Der Hochfrequenzfunke ionisiert zwischen Elektrode und Düse einen Leitweg für den Zündlichtbogenstrom. Das von dem Zündlichtbogen abgegebene ionisierte Gas schafft zwischen der Elektrode und dem Werkstück einen Weg geringen WidssKMndsst für den Schneidstrom, so dass der Hauptschneidlichtbogen gezündet wird. Beim handischen Schneiden wird zum Zünden des Schneidlichtbogens ein durch Hochfrequenz aufrechterhaltener Zündlichtbogen verwendet.
Die Beleuchtung durch den Zündlichtbogen gestattet es der Bedienung. bei aufgesetztem Schutzhelm den Rand des Blechs an die gewünschte Stelle zu bringen. Wenn der Ausgangspunkt des Schnitts festliegt, wird der Hauptlichtbogen gezündet. Am Ende des Schnitts wird der Lichtbogen gelöscht und die Zufuhr von Stickstoff und/oder Wasserstoff abgestellt.
Bei Verwendung einerschneidatmosphäre aus reinem Stickstoff oder aus reinem Stickstoff-WasserstoffGemisch wurden in Aluminium, Magnesium, Kupfer und Nickel ausgezeichnete Schnitte erzielt. Zunächst wurde Aluminium mit einer Dicke von 12, 7 mm mit Stickstoff bei einer Schnittgeschwindigkeit von 101, 6 cm pro Minute geschnitten, wobei sehr schlechte Schnitte mit anhaftender Schlacke erhalten wurden. Später wurde erkannt, dass bei Verwendung von Stickstoff als Schneidatmosphäre gute Schnitte nur
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von einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit an aufwärts erzielt werden können. Es wurde daher eine ausgedehnte Untersuchung angestellt, die zum Ziele hatte, die bei Verwendung von Stickstoff zu be- achtenden Grenzen zu bestimmen.
Bei Geschwindigkeiten von 50. 8 bis 101, 6 cm pro Minute wurden schlechte Schnitte mit wahrscheinlich aus Aluminiumnitrid bestehenden schwarzen Ablagerungen an den
Wandungen der Schnittspalte erhalten. Einwandfreie Schnitte wurden dagegen bei Geschwindigkeiten über
101, 6 cm pro Minute erzielt. Diese Mindestgeschwindigkeit ist anscheinend unabhängig von der Stärke zur Erzielung guter Schnitte erforderlich. Bei einer Stromquelle mit einer Ruhespannung von 100 Volt kann der Zündlichtbogen in Stickstoff nicht aufrechterhalten werden. Aus diesem Grunde ist bei händi- schem Arbeiten ein anderes Verfahren zum Zünden des Lichtbogens anzuwenden (hochfrequenzstabilisier- ter Gleichstrom-Zündlichtbogen).
Es wurde eine Versuchsserie mit 85 VoL-% Stickstoff und 15 Vol. -0/0 Wasserstoff und einer Stromquelle mit einer Ruhespann1mg von 100 Volt durchgeführt, wobei auch in dünnen Werkstücken gute Schnitte schon bei einer Geschwindigkeit von 25, 4 cm pro Minute erzielt wurden. Auf dicksn Werkstücken wurden bei allen Geschwindigkeiten ausgezeichnete Schnitte erzielt.
In Werkstücken aus Aluminium können unabhängig von dem Prozentsatz des dem Stickstoff zugesetzten
Wasserstoffs gute Schnitte erzielt werden. Dies war deutlich erkennbar, wenn dem Stickstoff 15, 35, 55 bzw. 75 Vol. -0/0 Wasserstoff zugesetzt wurde. Die Wandungen der Schnittspalte waren von gleicher Qua- lität und jenen vergleichbar, die mit dem Normalgemisch H-35 (65 Vol.-% A, 35 Vol. -0/0 Ha) erzielt wurden. Der Zusatz des Wasserstoffs zu dem Stickstoff hat den unerwarteten Vorteil, dass sich viel höhere
Schnittgeschwindigkeiten ergeben.
Ähnliche Versuche wie mit Aluminiumwerkstücken wurden mit Werkstücken aus Magnesium durchgeführt. Dabei wurden bei Verwendung von reinem Stickstoff gute Schnitte bei einer Geschwindigkeit von 152, 4 cm pro Minute erhalten. Bei 101, 6 cm pro Minute und darunter wurden schlechte Schnitte mit schwarzen Ablagerungen, oberhalb dieser Geschwindigkeit aber gute Schnitte erhalten. Wie bei Werkstücken aus Aluminium konnte diese Mindestgeschwindigkeit bei Einführung von Wasserstoff auf etwa 25, 4 pro Minute herabgesetzt werden.
Auch in verschieden starkenwerkstücken aus Kupfer wurden mit Stickstoff gute Schnitte erzielt, u. zw.. bei allen Geschwindigkeiten ; in diesem Fall braucht anscheinend keine Mindestgeschwindigkeit eingehalten zu werden. Ähnlich gute Schnitte erhält man, wenn dem Stickstoff Wasserstoff zugesetzt wird, und die Geschwindigkeiten ähnlich wie bei Magnesium und Aluminium angegeben, erhöht werden.
Selbst bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten wurden ausgezeichnete Schnitte in verschieden starken Werkstücken aus Nickel erhalten. Die Wandungen der dabei entstandenen Schnittspalte waren frei von anhaftender Schlacke. Bei Zusatz verschiedener Prozentsätze von Wasserstoff wurde die Güte der Schnitte nicht beeinträchtigt, aber die Schnittgeschwindigkeit erhöht. Bei Verwendung von Stickstoff oder von Stickstoff-Wasserstoff-Gemischen wurden bei allen in den Versuchen angewendeten Geschwindigkeiten in aus Nickel bestehenden Werkstücken jeder Stärke gute Schnitte erzielt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Gleichstromquelle konstanter Polarität zur Speisung des Lichtbogens verwendet, doch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, da zu diesem Zweck auch Stromquellen für Gleichstrom wechselnder Polarität oder Wechselstrom verwendet werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Materialabnahme bei rostfreiem Stahl oder Nichteisen-Metallen, bei welchem das abzunehmende Material einem. durch einen elektrischen Lichtbogen erhitzten Strom eines Gases wie Stickstoff, Wasserstoff oder einer Mischung von Stickstoff und Wasserstoff ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Bogen ein. verengter Bogen ist, der zwischen einer sich nicht Yezbrm- chenden Elektrode und dem abzunehmende Material gebildet wird und dass der Bogenstrom von der sich nicht verbrauchenden Elektrode zu dem abzunehmende Metall von dem gerichteten Gasstrahl gefährt wird.