DE102011053106A1

DE102011053106A1 - Plasmabrenner und Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken

Info

Publication number: DE102011053106A1
Application number: DE102011053106A
Authority: DE
Inventors: Edgar de Vries; Alexander Pfaff
Original assignee: SGE SPEZIALGERAETEENTWICKLUNG GmbH; Sge Spezialgerateentwicklung GmbH; IABG Industrieanlagen Betriebs GmbH
Current assignee: Medik Energieservice De GmbH; Sge Spezialgeraeteentwicklung De GmbH
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: DE102011053106B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Plasmabrenner zum Bearbeiten von Werkstücken durch Schneiden und Hobeln umfassend einen Brennerkopf (10) mit einer ersten und zweiten Elektrode, insbesondere Kathode (11) und Anode (16), zur Erzeugung eines Lichtbogens L, einer ersten Gasführung (12a) zur Zufuhr eines ionisierbaren Gases in den Lichtbogen L und einer Düse (13), wobei im Betrieb der im Lichtbogen L erzeugte Plasmastrahl durch die Düse (13) austritt, auf das Werkstück auftrifft und Material abträgt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Elektrode eine Ringelektrode, insbesondere Ringanode (16), bildet, die einen Lichtbogenmanipulator (17) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes oder eines elektromagnetischen Feldes aufweist, wobei die Ortslage des Lichtbogens L entlang des Umfangs der Ringelektrode, insbesondere Ringanode (16), durch das Feld veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner sowie ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken. Ein Plasmabrenner bzw. ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11 ist beispielsweise aus DE 10 2005 039 070 A1 bekannt.
Zum Plasmaschneiden leitender Materialien, wie Bleche, Baustahl usw. werden bekanntermaßen Plasmabrenner eingesetzt, bei denen ein Lichtbogen zwischen einer Wolframelektrode und dem Werkstück erzeugt wird. Dem Lichtbogen wird ein Gas zugeführt, das im Lichtbogen ionisiert wird. Das dabei entstehende Plasma ist ein elektrisch leitfähiges Gas mit einer Temperatur von bis zu 30.000°C. Der Lichtbogen wird in der Regel mit einer Hochfrequenzzündung gezündet und am Austritt des Brenners durch eine isolierte Düse eingeschnürt. Durch die hohe Energiedichte des Plasmastrahls schmilzt das Material und wird gleichzeitig dabei weggeblasen, so dass eine Schnittfuge entsteht.
Die industrielle Nutzung thermischer Verfahren zum Schneiden nicht leitender Werkstücke, beispielsweise zum Schneiden von Stahlbeton ist ebenfalls bekannt. Zum Schneiden elektrisch nicht leitender Werkstücke ist es bekannt, Plasmabrenner in indirekter Betriebsweise einzusetzen, wobei der Lichtbogen zwischen einer Elektrode und der Düse des Plasmabrenners brennt. Allerdings ist die Strombelastbarkeit der Düse und damit die Leistung des Verfahrens begrenzt. Überdies verschleißt die Düse schnell. DE 10 2005 039 070 A1 schlägt daher einen Plasmabrenner vor, der in indirekter Betriebsweise verwendet wird und eine Zusatzelektrode aufweist, die als Draht ausgebildet ist. Der Lichtbogen brennt zwischen der Elektrode des Plamsabrenners und dem Draht der Zusatzelektrode, wobei der im Lichtbogen erzeugte Plasmastrahl durch die Düse eingeschnürt wird, die zwischen der Elektrode des Plasmabrenners und der Zusatzelektrode angeordnet ist. Durch den in den Plasmastrahl hineinragenden Draht der Zusatzelektrode wird dieser verwirbelt, wodurch die Schneidleistung verringert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass ein Plasmastrahl mit möglichst hoher Geschwindigkeit und möglichst laminarer Strömung erzeugbar ist. Überdies liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken anzugeben, das entsprechend verbessert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf den Plasmabrenner durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen Plasmabrenner zum Bearbeiten von Werkstücken durch Schneiden und Fugenhobeln anzugeben, der einen Brennerkopf mit einer ersten und zweiten Elektrode umfasst. Die erste Elektrode kann eine Kathode und die zweite Elektrode kann eine Anode sein. Die erste und zweite Elektrode sind zur Erzeugung eines Lichtbogens vorgesehen. Der Brennerkopf umfasst eine erste Gasführung zur Zufuhr eines ionisierbaren Gases in den Lichtbogen und eine Düse, wobei im Betrieb der im Lichtbogen erzeugte Plasmastrahl durch die Düse austritt, auf das Werkstück auftrifft und Material abträgt. Die zweite Elektrode bildet eine Ringelektrode, insbesondere Ringanode, und weist einen Lichtbogenmanipulator zur Erzeugung eines magnetischen oder elektromagnetischen Feldes auf. Die Ortslage des Lichtbogens ist entlang des Umfangs der Ringelektrode durch das magnetische oder elektromagnetische Feld veränderbar.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Plasmastrahl durch die Ringelektrode hindurchströmen kann, ohne dass dabei das Strömungsverhalten des Plasmastrahls signifikant beeinflusst wird. Im Gegensatz zu dem aus dem nächstkommenden Stand der Technik bekannten Draht ragt die Ringelektrode nicht in den Strömungsweg des Plasmastrahls, der ungehindert durch die Ringelektrode hindurchströmen kann. Damit werden im Vergleich zum Stand der Technik höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Plasmastrahls erreicht. Außerdem wird die Verwirbelung des Plasmastrahls vermieden und die Ausbildung einer laminaren Strömung unterstützt. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass es zu aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen dem Plasmastrahl und der Ringelektrode kommen kann. Die Beeinflussung des Plasmastrahls durch die Ringelektrode ist jedoch wesentlich geringer als im Stand der Technik.
Überdies hat die Erfindung den Vorteil, dass durch den Lichtbogenmanipulator die Ortslage des Lichtbogens entlang des Umfangs der Ringelektrode veränderbar ist. Dadurch wird erreicht, dass der Fuß des Lichtbogens auf der Ringelektrode wandert und ein übermäßiger Verschleiß der Ringelektrode vermieden wird. Die berührungslose Führung des Lichtbogens durch das vom Lichtbogenmanipulator erzeugbare magnetische und elektromagnetische Feld trägt dazu bei, dass der Lichtbogen ohne Beeinträchtigung des Strömungsverhaltens des Plasmastrahls lokal bewegt werden kann. Überdies hat die Manipulation des Lichtbogens durch ein magnetisches und elektromagnetisches Feld den Vorteil, dass die Magnetkraft zur Ablenkung des Lichtbogens und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtbogenmanipulators frei variierbar sind. Im Gegensatz dazu ist die Manipulation des Lichtbogens nach dem Prinzip der Gasverwirbelung im Hinblick auf die Geschwindigkeit und Kraft begrenzt.
Der Plasmabrenner ist zur Bearbeitung sowohl elektrisch nichtleitender als auch elektrisch leitender Werkstücke geeignet.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind mit weiteren Einzelheiten in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Lichtbogenmanipulator wenigstens einen entlang des Umfangs der Ringelektrode bewegbaren Permanentmagnet und/oder mehrere entlang des Umfangs der Ringelektrode angeordnete schaltbare Elektromagneten auf. Durch den umlaufenden Permanentmagneten wird erreicht, dass die Ortslage des Lichtbogens, insbesondere der Fuß des Lichtbogens, durch das sich räumlich ändernde magnetische Feld entlang des Umfangs der Ringelektrode verändert wird. Alternativ zu dem bewegbaren Permanentmagneten können mehrere entlang des Umfangs der Ringelektrode angeordnete schaltbare Elektromagneten vorgesehen sein. Durch geeignete Schaltung der Elektromagnete wird ein sich räumlich änderndes und/oder ein sich in der Stärke änderndes elektromagnetisches Feld erzeugt, wodurch erreicht wird, dass sich die Ortslage des Lichtbogens ändert, insbesondere sich der Fuß des Lichtbogens entlang des Umfangs der Ringelektrode bewegt. Die Änderung der Ortslage des Lichtbogens hat den Vorteil, dass die Ringelektrode geschont wird und damit weniger schnell verschleißt.
Der Permanentmagnet kann einen mechanischen oder pneumatischen oder hydraulischen Antrieb aufweisen, wodurch auf einfache Weise der Umlauf des Permanentmagneten bewirkt wird. Der pneumatische Antrieb hat den Vorteil, dass im Plasmabrenner ohnehin vorhandenen Gassysteme, wie beispielsweise das System zur Zufuhr von Schutzgas oder das System zur Zufuhr von Plasmagas zusätzlich zum Antrieb des Permanentmagneten verwendet werden können. Entsprechend kann eine im Plasmabrenner geführte Kühlflüssigkeit bzw. ein Kühlmedium als hydraulischer Antrieb des Permanentmagneten verwendet werden.
Vorzugsweise weist die Ringelektrode einen Hohlkanal auf, in dem der Permanentmagnet in Umfangsrichtung der Ringelektrode beweglich angeordnet ist. Die Integration des Permanentmagneten in die Ringelektrode führt zu einer kompakten Bauweise. Außerdem hat der Hohlkanal mit in Umfangsrichtung geschlossener Wandung den Vorteil, dass dieser im Zusammenhang mit dem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb verwendet werden kann. Die Ringelektrode kann auch eine Außenlaufbahn aufweisen, entlang der der Permanentmagnet umläuft
Dazu kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Hohlkanal mit einer Gaszuführung, insbesondere Schutzgas- und/oder Plasmagaszuführung oder mit einer Flüssigkeitszuführung, insbesondere Kühlmediumzuführung, fluidverbunden ist. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, den Antrieb des Permanentmagneten durch ohnehin vorhandene Medien, wie beispielsweise Schutzgas, Plasmagas und Kühlmedium zu verwirklichen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Brennerkopf ferner eine Absaugeinrichtung, die der Düse zugeordnet ist, um den bei der Bearbeitung auftretenden Staub, insbesondere die aus der Düse austretenden und mit Staub beladenen Gase, abzusaugen. Der Brennerkopf weist ein Dichtmittel auf, das im Ansaugbereich der Absaugeinrichtung und/oder im Austrittsbereich der Düse angeordnet ist und im Gebrauch gegen das Werkstück derart abdichtet, dass der Staub, insbesondere die mit Staub beladenen Gase, zurückgehalten werden und durch die Absaugeinrichtung absaugbar sind. Durch das Dichtmittel wird verhindert, dass der beim Abtragen des Materials mittels des Plasmastrahls entstehende Staub in die Umgebung des Plasmabrenners gelangt. Der Staub wird im Bereich des Brennerkopfes zurückgehalten und kann gezielt durch die Absaugeinrichtung des Plasmabrenners abgesaugt werden. Zu diesem Zweck ist die Absaugeinrichtung der Düse zugeordnet und zwar so, dass diese die aus der Düse austretenden Gase und den bei der Bearbeitung auftretenden Staub absaugen kann. Das bedeutet, dass die Absaugeinrichtung in ausreichender räumlicher Nähe zur Düse angeordnet ist, um die Absaugfunktion zu erfüllen. Beispiele für diese Anordnung sind nachfolgend angegeben.
Durch die Kombination der Absaugeinrichtung mit dem Dichtmittel ist der Plasmabrenner zur Bearbeitung nicht leitender Stoffe, bei denen es zu einer Staubentwicklung kommt, geeignet. Der Vorteil liegt dabei darin, dass die Kontamination mit Staub bauseitig vermieden werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennerkopf eine zweite Gasführung zur Zufuhr eines Sekundärfluids aufweist, um die bei der Bearbeitung des Werkstücks entstehende Fuge auszublasen. Als Sekundärfluid können Druckluft, Schutzgasgemische oder Wasser eingesetzt werden. Durch das Sekundärfluid wird die Schnittqualität verbessert. Das Sekundärfluid schützt außerdem die Düse des Brennerkopfs vor aufspritzendem Material. Bei der Verwendung von Schutzgas wird die heiße Schnittfuge vor Oxidation geschützt. Die bei der Verwendung des Sekundärfluids auftretende verstärkte Staubentwicklung bzw. Staubaufwirbelung ist unschädlich, weil der Staub durch das Dichtmittel im Bereich des Brennerkopfes zurückgehalten und dort durch die Absaugeinrichtung abgesaugt und entsorgt wird.
Die Absaugeinrichtung kann ein Absaugrohr umfassen, das seitlich vom Brennerkopf angeordnet ist und über die Düse, insbesondere über die Anode in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls vorsteht. Das über die Düse bzw. die Anode vorstehende Absaugrohr wird im Gebrauch nahe an das Werkstück heranbewegt, bzw. kann das Werkstück direkt berühren, so dass eine besonders gute Absaugwirkung erreicht wird. Das Maß, mit dem das Absaugrohr über die Düse bzw. über die Anode in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls vorsteht richtet sich nach dem Bearbeitungsabstand zwischen dem Brennerkopf und dem Werkstück und wird vom Fachmann bei Bedarf entsprechend eingestellt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Dichtmittel eine Schleppe, wobei die Schleppe der Düse in Vorschubrichtung des Brennerkopfes nachgeordnet ist. Die Schleppe hat die Funktion, die Fuge abzudecken, wodurch verhindert wird, dass das an der Schneidfront abprallende Gas durch die Fuge in die Umgebung entweicht. Die Schleppe trägt somit dazu bei, dass der im Gas mitgeführte Staub im Dichtbereich, d.h. im Bereich des Brennerkopfes zurückgehalten und dort abgesaugt werden kann. Durch die Nachordnung der Schleppe in Vorschubrichtung des Brennerkopfs wird erreicht, dass die Schleppe die bei der Bearbeitung entstehende Fuge sicher überdeckt.
Wenn die Schleppe am Absaugrohr befestigt ist, wird auf einfache Weise erreicht, dass die bei der Bearbeitung entstehende Fuge sicher überdeckt wird. Das Absaugrohr ist in der Regel der Düse in Vorschubrichtung des Brennerkopfes nachgeordnet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Dichtmittel eine Schürze umfasst, die über die Düse, insbesondere über die Anode, in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls vorsteht und im Gebrauch gegen das Werkstück abdichtet. Die Schürze verbessert die Dichtwirkung, da verhindert wird, dass die mit Staub beladenen Gase durch den Spalt zwischen dem Brennerkopf und dem Werkstück seitlich austreten.
Vorzugsweise mündet wenigstens ein Zufuhrkanal in den Austrittsbereich der Düse. Zufuhrkanal dient zur Kühlung der Ringelektrode und/oder zur Kühlung der abzusaugenden Gase. Die Möglichkeit, die Luftzufuhr durch den Zufuhrkanal zu regulieren, bspw. durch Steuer- oder Regeleinheit, eröffnet die Möglichkeit, die Kühlleistung zu ändern und/oder den Druck der zugeführten Luft an das Dichtvermögen des Dichtmittels anzupassen, so dass kein Staub aus dem Dichtbereich entweichen kann.
Die Düse und die Ringelektrode können ein integrales Bauteil oder zwei gesonderte Bauteile bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes durch Schneiden und Fugenhobeln beruht auf dem Gedanken, einen Plasmastrahl dadurch zu erzeugen, dass ein ionisierbares Gas einem Lichtbogen zugeführt wird, der zwischen einer ersten und zweiten Elektrode, insbesondere Kathode und Anode eines Plasmabrenners brennt, wobei der Plasmastrahl aus seiner Düse austritt, auf das Werkstück auftrifft und Material vom Werkstück abträgt. Der Lichtbogen läuft dabei auf dem Umfang der zweiten Elektrode, die eine Ringelektrode bildet um. Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Plasmastrahl weitestgehend unbeeinflusst durch die Ringelektrode strömen kann und somit zumindest durch die Ringelektrode keine Geschwindigkeitsverluste erleidet. Außerdem wird die Ringelektrode thermisch geschont, da der Lichtbogen auf dem Umfang der Ringelektrode umläuft.
Mit dem Verfahren können sowohl elektrisch nichtleitende als auch elektrisch leitende Werkstücke bearbeitet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten erläutert und beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur einen Längsschnitt durch den Brennerkopf eines Plasmabrenners nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bei der Werkstückbearbeitung.
Der in der einzigen Figur dargestellte Plasmabrenner ist wie folgt aufgebaut:
Der Plasmabrenner umfasst einen Brennerkopf 10, in dem eine Elektrode, insbesondere eine Kathode 11 angeordnet. Die Kathode 11 ist in einem Kathodenhalter 23 befestigt, der eine Kühlung 24, insbesondere eine Wasserkühlung 24 aufweist. Bei der Kathode 11 handelt es sich um eine Stabkathode, deren Längsachse koaxial bezogen auf die Mittelachse des Brennerkopfes angeordnet ist. Die Kathode 11 ist mittig im Brennerkopf 10 angeordnet. Die erste Gasführung 12a umgibt den Elektrodenhalter 23 und ist mit einer Gasleitung (nicht dargestellt) für die Zufuhr des ionisierbaren Gases, auch Plasmagas genannt, verbunden. Die Zufuhr des Plasmagases ist durch Pfeile in der einzigen Figur angedeutet. Der Elektrodenhalter 23 ist konzentrisch von einem Düsenkörper 25 umgeben. Der Ringspalt zwischen dem Elektrodenhalter 23 und dem Düsenkörper 25 bildet die erste Gasführung 12a. Der Düsenkörper 25 weist an einem axialen Ende eine Düse 13 auf, die der Kathode 11 in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls nachgeordnet ist. Bei der Düse 13 kann es sich beispielsweise um eine wassergekühlte Kupferdüse handeln, die isoliert ist. Die Düse 13 hat in an sich bekannter Weise die Funktion, den Lichtbogen einzuschnüren. Der Düsenkörper 25 umfasst ferner eine zweiten Kühlung 26, insbesondere eine zweite Wasserkühlung 26, die den Düsenkörper 25 konzentrisch umgibt.
Der Düsenkörper 25 ist in einer Düsenkappe 27 angeordnet, deren Form der Form des Düsenkörpers 25 angepasst ist. Die Düsenkappe 27 hat die Funktion, den Düsenkörper vor dem aufspritzenden Material zu schützen. Die Düsenkappe 27 weist an einem axialen Ende eine Öffnung 28 auf, durch die der aus der Düse 13 austretende Plasmastrahl sowie der Lichtbogen ins Freie gelangt. Die Öffnung 28 fluchtet mit der Düse 13. Außerdem steht die Öffnung 28 der Düsenkappe 27 in Wirkverbindung mit einem Ringspalt zwischen dem Düsenkörper 25 und der Düsenkappe 27. Der Ringspalt bildet die zweite Gasführung 12b. Durch die Verbindung der Öffnung 28 mit dem Ringspalt kann das Sekundärfluid bzw. Sekundärgas der zweiten Gasführung 12b ebenfalls durch die Öffnung 28 austreten.
Der Plasmabrenner gemäß der einzigen Figur weist eine Anode 16 auf, die der Kathode 11 in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls nachgeordnet ist, so dass zwischen der Kathode 11 und der Anode 16 im Betrieb ein Lichtbogen L erzeugbar ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Bearbeitung von Werkstücken mit dem Plasmabrenner im Wesentlichen materialunabhängig erfolgen kann. Die Kombination der Kathode 11 mit der Anode 16 ist besonders zur Bearbeitung nichtleitender Werkstücke, wie bspw. Stahlbeton usw. geeignet. Durch die der Kathode 11 nachgeordnete Anode 16 ist die Bearbeitung von Werkstücken bzw. das Verfahren relativ unempfindlich gegenüber Abstandsänderungen zwischen dem Werkstück und dem Brennerkopf.
Die Bearbeitung elektrisch leitender Werkstücke ist auch möglich, bspw. das Schneiden von Kohlefasermatten, die mit herkömmlichen Plasmaschneidverfahren nicht zu schneiden sind. Eine weitere Anwendung sind Flächenabtragsverfahren.
Bei der Anode 16 handelt es sich um eine Ringanode, die konzentrisch zur Mittellinie des Brennerkopfes 10 angeordnet ist. Die Ringanode fluchtet mit der Öffnung 28 bzw. der Düse 13. Die Düse 13, die Öffnung 28 und die Ringanode sind konzentrisch angeordnet. Die Ringanode weist einen ringförmigen Hohlraum auf, in dem ein Manipulator 17, insbesondere ein Permanentmagnet angeordnet ist. Zur Veränderung der Lage des Lichtbogens wird der Permanentmagnet entlang des Umfangs der Ringanode bewegt. Als Antrieb kann eine Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Wasser verwendet werden. Durch die Hydraulikflüssigkeit, insbesondere durch das Wasser, wird die Ringanode gleichzeitig gekühlt. Die Möglichkeit, die Lage des Lichtbogens L zu verändern, hat den Vorteil, dass der Fuß des Lichtbogens L nicht in die Anode 16 einbrennen kann. Vielmehr wird durch die kontinuierliche Veränderung der Lage des Lichtbogens L die thermische Belastung der Anode verringert. Zur Veränderung der Lage des Lichtbogens erzeugt der Manipulator ein lokales Magnetfeld, dass entlang der Ringanode umläuft. Im Falle des Permanentmagneten wird dies dadurch erreicht, dass der Permanentmagnet auf dem Umfang der Ringanode bewegt wird, insbesondere hydraulisch oder pneumatisch bewegt wird. Der hydraulisch Antrieb des Permanentmagneten hat den Vorteil, dass die Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Wasser nicht nur als Antrieb des Permanentmagneten, sondern auch zur Kühlung der Ringanode verwendet werden kann. Die Kühlung kann auch durch Luft oder ein sonstiges verfahren erfolgen.
Konkret ist die Düse 13 zwischen der ersten Elektrode, insbesondere der Kathode 11 und der zweiten Elektrode, insbesondere der Ringelektrode, insbesondere der Ringanode 16 angeordnet. Die Düsenkappe 27 ist in entsprechender Weise zwischen den beiden Elektroden angeordnet. Der Lichtbogen L erstreckt sich im Betrieb zwischen den beiden Elektroden und verläuft durch die Düse 13 und in die Öffnung 28 der Düsenkappe 27. Nach der Düsenkappe 27 wird der Lichtbogen L radial nach außen umgelenkt und berührt die zweite Elektrode, konkret die Ringanode 16. Die Ringanode 16 ist so angeordnet, dass der Lichtbogen L diese am Innenumfang berührt. Die obere Stirnfläche der Ringanode 16, die zur Düsenkappe 27 weist, ist isoliert.
Die Ringanode 16 ist von der Düse 13 getrennt. Die Trennung erfolgt dadurch, dass die Ringanode 16 an der Düsenkappe 27 befestigt ist, wobei zwischen der Düsenkappe 27 und der Düse 13 ein Spalt besteht. Außerdem ist zwischen der Ringanode 16 und der Düsenkappe 27 ein Isolator 21 angeordnet, so dass die Ringanode 16 von der Düsenkappe 27 auch elektrisch getrennt ist. Wenn die Düse 13 und die Ringanode 16 als ein integrales Bauteil ausgeführt sind, ist eine geeignete elektrische Isolierung vorgesehen.
Die Ringanode 16 weist eine Durchtrittsöffnung 30 auf, die mit der Öffnung 28 der Düsenkappe 27, der Düse 13 und der ersten Elektrode bzw. der Kathode 11 fluchtet. Die Durchtrittsöffnung 30 ist so angeordnet, dass der im Lichtbogen L erzeugte Plasmastrahl durch die Durchtrittsöffnung 30 hindurchströmen kann, wie in der einzigen Figur zu erkennen. Durch die Ringanode 16 wird erreicht, dass keine Einbauten oder andere Elektrodenbauteile in den Strömungsweg des Plasmastrahls ragen. Der Plasmastrahl kann weitestgehend ungehindert durch die Ringelektrode 16 hindurchströmen, ohne dass es dabei zu signifikanten Strömungsverlusten oder Verwirbelungen kommt.
Durch die Ringanode 16 wird ferner erreicht, dass der Plasmastrahl und der Lichtbogen L, also der Strompfad, sich im Bereich der Ringanode 16 bzw. der ringförmigen Anode trennen. Beim Austritt des Plasmastrahls aus der Durchtrittsöffnung 30 sind der Lichtbogen L und der Plasmastrahl voneinander getrennt. Damit ist eine materialunabhängige Bearbeitung von Werkstücken möglich.
Die Verbindung der Ringanode bzw. generell der Anode 16 mit der Düsenkappe 27 erfolgt durch den vorgenannten Isolator 21. Der Isolator 21 ist ein ringförmiges Bauteil, an dessen Stirnfläche die Ringanode befestigt ist. Auf der der Ringanode gegenüberliegenden Seite des Isolators ist eine Aufnahmeschräge vorgesehen, deren Neigungswinkel dem Neigungswinkel der Düsenkappe 27 entspricht. Somit ist es möglich, zwischen dem Isolator 21 und der Düsenkappe 27 eine formschlüssige Verbindung herzustellen. Der Isolator 21 weist einen radialen Bund 29 auf, der über das axiale Ende der Düsenkappe 27 vorsteht. Der radiale Bund 29 beabstandet die Ringanode vom axialen Ende der Düsenkappe 27. Außerdem münden die im Isolator 21 ausgebildeten Luftkanäle 22, bzw. Zufuhrkanäle am radialen Bund 29 in den Bereich der Austrittsöffnung der Düse 13 bzw. in den Bereich der Austrittsöffnung der Düsenkappe 27. Die Luftkanäle 22, bzw. Zufuhrkanäle sind auf dem Umfang des Isolators 21 verteilt angeordnet. Die Luftkanäle 22, bzw. Zufuhrkanäle sind jeweils bezogen auf die Mittelachse des Brennerkopfes 10 radial nach außen geneigt. Die Luftzufuhr durch die Luftkanäle 22, bzw. Zufuhrkanäle ist regulierbar. Die hierfür vorgesehene Reguliereinheit ist nicht dargestellt.
Allgemein kann vorgesehen sein, dass zwischen der Anode und der Düse ein Isolator mit wenigstens einem Luftkanal, bzw. Zufuhrkanal angeordnet ist, der in den Austrittsbereich der Düse, insbesondere in den Bereich der Anode mündet. Dabei kann die Luftzufuhr durch den wenigstens einen Luftkanal, insbesondere durch die Luftkanäle reguliert werden. Durch den Isolator kann die Anode mit der Düse verbunden werden, die somit einen Teil des Brennerkopfes bildet. Der Isolator bietet die Möglichkeit, den Brennerkopf mit der Anode als kompaktes, einteiliges Bauteil auszubilden. Die in den Bereich der Anode bzw. in den Austrittsbereich der Düse mündenden Luftkanäle bzw. der einzige Luftkanal dient zur Kühlung der Anode und zur Kühlung der abzusaugenden Gase. Die Möglichkeit, die Luftzufuhr durch den Luftkanal zu regulieren eröffnet die Möglichkeit, den Druck der zugeführten Luft an das Dichtvermögen des Dichtmittels anzupassen, so dass kein Staub aus dem Dichtbereich entweichen kann.
Der Manipulator 17 wird nachfolgend näher erläutert:
Der ringförmige Hohlraum, in dem der Manipulator 17, insbesondere der Permanentmagnet angeordnet ist, ist als ringförmig geschlossener Hohlkanal ausgebildet. Der Hohlkanal ist mit einer Gaszuführung oder einer Flüssigkeitszuführung (nicht dargestellt) verbunden. Durch die Gaszuführung kann Schutzgas und/oder Plasmagas in den Hohlkanal eingeleitet werden. Durch die Flüssigkeitszuführung kann beispielsweise das Kühlmedium in den Hohlkanal strömen. Die Gaszuführung bzw. Flüssigkeitszuführung ist dazu mit dem Gassystem bzw. dem Kühlsystem des Plasmabrenners verbunden und bildet den pneumatischen oder hydraulischen Antrieb des Permanentmagneten. Der Antrieb kann eine Steuer- oder Regeleinheit aufweisen (nicht dargestellt), mit der die Umlaufgeschwindigkeit des Permanentmagneten in der Ringanode 16 geändert werden kann. Der Hohlkanal kann so angepasst sein, dass das jeweils zugeführte Medium einen Kreislauf bildet.
Der pneumatische oder hydraulische Antrieb funktioniert dadurch, dass im Hohlkanal eine Strömung ausgebildet wird, die den Manipulator 17 bzw. den Permanentmagnet mitnimmt, so dass sich dieser entlang des Umfangs der Ringelektrode bzw. Ringanode 16 bewegt. Dadurch wird erreicht, dass sich das lokale Magnetfeld, das vom Permanentmagneten erzeugt wird, auf dem Umfang der Ringelektrode fortbewegt, wodurch die Ortslage des Lichtbogens L verändert wird. Konkret wandert der Fuß des Lichtbogens L durch die Bewegung des Magnetfeldes auf dem Umfang der Ringanode 16, so dass die Temperatur- und Zeitbelastung der Ringanode 16 durch den Lichtbogen L verringert wird. Das Festbrennen des Lichtbogens wird damit verhindert.
Anstelle des Permanentmagneten bzw. mehrerer Permanentmagneten können mehrere auf dem Umfang der Ringanode 16 angeordnete schaltbare Elektromagnete vorgesehen sein. Die Funktion der Elektromagnete besteht darin, ein lokales elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das sich auf dem Umfang der Ringanode 16 bewegt. Damit wird, wie vorstehend im Zusammenhang mit den Permanentmagnet bzw. Dauermagnet ausgeführt, verhindert, dass der Lichtbogen L festbrennt. Die Verwendung der schaltbaren Elektromagnete hat den weiteren Vorteil, dass zusätzlich zur variablen Geschwindigkeit auch die Stärke des Magnetfeldes variiert werden kann.
Alternativ kann der Permanentmagnet auf dem Außenumfang bspw. auf einer Außenlaufbahn der Ringelektrode umlaufen.
Die Anode 16 ist ringförmig, insbesondere kreisringförmig. Andere ringförmige Geometrien, die von der Kreisform abweichen, sind möglich. Dies gilt auch für den Begriff "Ringelektrode" bzw. "Ringanode".
Die Polarität der ersten und zweiten Elektrode ist frei wählbar. In der einzigen Figur ist ferner die Absaugeinrichtung 14 dargestellt, die Teil des Brennerkopfes 10 ist bzw. allgemein Teil des Plasmabrenners ist und der Düse 13 zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Absaugeinrichtung 14 so nahe an der Düse 13 angeordnet ist, dass die Absaugeinrichtung 14 die Funktion erfüllen kann, die aus der Düse 13 austretenden Gase und den im Bereich der Düse entstehenden Staub abzusaugen. Dazu ist die Absaugeinrichtung 14 mit der Düse 13 oder mit einem Anbau der Düse 13, bspw. mit der Ringanode verbunden. Wenn die Absaugeinrichtung 14 mit der Ringelektrode verbunden ist, ist die Absaugeinrichtung 14 elektrisch isoliert.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Absaugeinrichtung 14 ein Absaugrohr 18, das mit einer nicht dargestellten Filtereinheit verbunden ist. Die Richtung des Staubstromes im Absaugrohr 18 ist durch den Pfeil in der einzigen Figur dargestellt. Das Absaugrohr 18 ragt etwas über die Düse 13, insbesondere etwas über die Anode 16 in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls vor. Dies bedeutet, dass die Unterkante des Absaugrohrs 18 den im Gebrauch bzw. im Betrieb den Spalt zwischen der Anode 16 bzw. der Düse 13 bzw. der Düsenkappe 27 und dem Werkstück W überbrückt. Der vorspringende Teil des Absaugrohres 18 kann so eingestellt sein, dass dieser das Werkstück W im Gebrauch berührt oder ein Spalt zwischen dem vorspringenden Teil des Absaugrohres 18 und dem Werkstück W besteht.
Das Absaugrohr 18 ist bezogen auf die Mittelachse des Brennerkopfes geneigt angeordnet, so dass einerseits die Verbindung mit der Filtereinheit möglich ist, ohne dass das Absaugrohr 18 mit der Düsenkappe 27 kollidiert. Andererseits wird durch Neigung des Absaugrohrs 18 erreicht, dass die Eintrittsöffnung des Absaugrohrs 18 über die Unterseite der Ringanode vorsteht. Das Absaugrohr 18 ist in Vorschubrichtung (siehe Pfeil oberhalb des Brennerkopfes senkrecht zur Mittellinie des Brennerkopfes) der Düse 13 nachgeordnet. Dadurch wird erreicht, dass der sich im Betrieb im Bereich der Fuge bildende Staub durch das Absaugrohr 18 gut abgesaugt werden kann.
Anstelle des Absaugrohrs 18 kann eine Absaugglocke vorgesehen sein, die den Brennerkopf vollständig umgibt und durch einen Ringspalt zwischen Brennerkopf und Absaugglocke oder durch ein anderweitiges Rohrsystem den im Bereich der Düse entstehenden Staub absaugt. Damit ist eine weiträumigere Absaugung des entstehenden Staubes möglich.
Der Brennerkopf 10 weist ein Dichtmittel 15 auf, das im Ansaugbereich der Absaugeinrichtung 14 und/oder im Austrittsbereich der Düse 13 angeordnet ist. Das Dichtmittel 15 hat die Funktion, den Brennerkopf im Gebrauch gegen das Werkstück W derart abzudichten, dass die bei der Bearbeitung entstehenden Gase und der bei der Bearbeitung entstehende Staub zurückgehalten wird, so dass dieser gesammelt durch die Absaugeinrichtung 14 abgesaugt werden kann. Die Geometrie des Dichtmittels bzw. die Dimensionen des Dichtmittels 15 sind so bemessen, dass diese sich zwischen der Unterseite des Brennerkopfes, insbesondere der Unterseite der Ringanode und dem Werkstück erstrecken.
Konkret umfasst das Dichtmittel 15 eine Schleppe 19, die der Düse 13 in Vorschubrichtung nachgeordnet ist. Die Schleppe 19 ist so ausgelegt, dass diese im Betrieb die bei der Bearbeitung entstehende Fuge überdeckt, so dass sich die in der Fuge sammelnden Gase und der aufgewirbelte Staub nicht aus der Fuge entweichen kann. Die Schleppe 19 ist mit dem Brennerkopf so verbunden, dass die Schleppe 19 bei der Vorschubbewegung des Brennerkopfes 10 mitgenommen wird. Konkret ist die Schleppe 19 an der Außenkante des Absaugrohrs 18 befestigt. Da das Absaugrohr 18 in Vorschubrichtung der Düse 13 bzw. der Ringanode nachgeordnet, ist auch automatisch die Schleppe 19 der Düse 13 bzw. der Ringanode nachgeordnet.
Als weiteres Dichtmittel 15 ist eine Schürze 20 vorgesehen, die den Spalt zwischen dem Brennerkopf 10, konkret zwischen der Unterseite der Ringanode und dem Werkstück W überbrückt und somit den Brennerkopf 10 seitlich abdichtet. Die Schürze 20 ist an der Außenkante der Ringanode an deren Unterseite befestigt. Die Schürze 20 dichtet den gesamten Spalt zwischen der Ringanode und dem Werkstück ab. Dazu erstreckt sich die Schürze 20 auf dem gesamten Umfang der Ringanode bis zum Absaugrohr 18. Die Schürze 20, das Absaugrohr 18 und die Schleppe 19 bilden zusammen ein Dichtsystem, das den Brennerkopf 10 weitestgehend vollständig gegen das Werkstück W abdichtet. Dadurch wird der Austritt von Staub, insbesondere von belastetem Staub in die Umgebung weitestgehend vermieden. Durch die Integration des Absaugrohrs 18 in das Dichtsystem wird der bei der Bearbeitung bestehende Staub sicher abgeführt und kann einer Filteranlage (nicht dargestellt) zugeführt werden. Die Filteranlage kann so ausgeführt sein, dass die Staubentnahme entweder konventionell, kontaminationsarm oder kontaminationsfrei erfolgt.
Der Plasmabrenner gemäß der einzigen Figur funktioniert wie folgt:
Zunächst wird ein Lichtbogen L zwischen der Kathode 11 und der Anode 16 gezündet. Der Lichtbogenmanipulator 17 der Anode 16 dient dazu, den Lichtbogen abzulenken und somit ein Einbrennen des Lichtbogens auf der Anode 16 zu verhindern. Der Lichtbogen erhitzt das Plasmagas und das Hüllgas, so dass sich eine Plasmakeule bildet. Die Plasmakeule schmilzt das Material des Werkstückes W und treibt es gleichzeitig aus der Trennfuge bzw. der Schneide- oder Hobelfuge aus. Die erhitzten Gase und das herausgeschleuderte Material des Werkstückes W werden dann durch die Absaugung mit der Umgebungsluft gekühlt und durch eine geeignete Filteranlage abgefiltert. Bei der Absaugung wird ein Großteil der abgesaugten Frischluft durch die Schneidfuge eingesaugt. Dies ist durch die Pfeile in der einzigen Figur dargestellt. Um dies zu erreichen, ist die Fuge, wie vorstehend erläutert, mit der Schleppe 19 abgedeckt. Außerdem kann die Luftzufuhr durch die Luftkanäle 22 reguliert werden. Dadurch wird verhindert, dass das an der Schneidfront abprallende Gas durch die Fuge in die Umgebung entweichen kann.
Als Plasmagase können beispielsweise verwendet werden: Luft, O₂, N₂, AR/H₂, He. Als Schutzgase können beispielsweise verwendet werden: Luft, O₂, N₂, CO₂, Wasser. Wenn Wasser als Sekundärfluid verwendet wird bzw. als Schutzmittel wird dem Filter ein Kondensator (nicht dargestellt) vorgeschaltet, in dem Wasser wieder kondensieren kann. Das Schutzgas kann auch entfallen.
Typische Durchflussmengen sind beispielsweise 20–80 L/Min. Plasmagas und 5–200 L/Min. Schutzgas (0,3–0,7 L/Min. Wasser). Die Schneidströme können 100 A–1600 A betragen. Die Menge der Absaugluft richtet sich nach der eingebrachten elektrischen Leistung und liegt zwischen 5–25 m²/H pro kW eingebrachte Leistung. Bei diesen Absaugmengen ist gewährleistet, dass die resultierende Abgastemperatur nicht über 65° Celsius ansteigt.
Der in der Figur dargestellte Plasmabrenner hat den Vorteil, dass die Kontamination mit Staub bauseitig vermieden wird. Außerdem kann mittels des Plasmabrenners der Bearbeitungsprozess automatisiert werden. Die Bearbeitung ist relativ unempfindlich gegenüber Abstandsveränderungen zwischen dem Werkstück W und dem Plasmabrenner. Aufgrund der Anoden/Kathoden-Kombination ist das Verfahren materialunabhängig. Insbesondere sind die Vorrichtung und das Verfahren zur Bearbeitung elektrisch nicht leitender oder elektrisch schlecht leitender Werkstücke ebenso wie zur Bearbeitung elektrisch leitender Werkstoffe geeignet.
Bezugszeichenliste

10: Brennerkopf
11: Kathode
12a: erste Gasführung
12b: zweite Gasführung
13: Düse
14: Absaugeinrichtung
15: Dichtmittel
16: Anode/Ringanode
17: Manipulator
18: Absaugrohr
19: Schleppe
20: Schürze
21: Isolator
22: Zufuhrkanal
23: Elektrodenhalter
24: erste Kühlung
25: Düsenkörper
26: zweite Kühlung
27: Düsenkappe
28: Öffnung
29: Bund
30: Durchtrittsöffnung
L: Lichtbogen
W: Werkstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005039070 A1 [0001, 0003]

Claims

Plasmabrenner zum Bearbeiten von Werkstücken durch Schneiden und/oder Fugenhobeln umfassend einen Brennerkopf (10) mit einer ersten und zweiten Elektrode, insbesondere Kathode (11) und Anode (16), zur Erzeugung eines Lichtbogens L, einer ersten Gasführung (12a) zur Zufuhr eines ionisierbaren Gases in den Lichtbogen L und einer Düse (13), wobei im Betrieb der im Lichtbogen L erzeugte Plasmastrahl durch die Düse (13) austritt, auf das Werkstück auftrifft und Material abträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode eine Ringelektrode, insbesondere Ringanode (16), bildet, die einen Lichtbogenmanipulator (17) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes oder eines elektromagnetischen Feldes aufweist, wobei die Ortslage des Lichtbogens L entlang des Umfangs der Ringelektrode, insbesondere Ringanode (16), durch das Feld veränderbar ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenmanipulator (17) wenigstens einen entlang des Umfangs der Ringelektrode bewegbaren Permanentmagnet und/oder mehrere entlang des Umfangs der Ringelektrode angeordnete schaltbare Elektromagneten aufweist.
Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet einen mechanischen oder pneumatischen oder hydraulischen Antrieb aufweist.
Plasmabrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelektrode einen Hohlkanal aufweist, in dem der Permanentmagnet in Umfangsrichtung der Ringelektrode beweglich angeordnet ist oder die Ringelektrode eine Außenlaufbahn aufweist, entlang der der Permanentmagnet umläuft.
Plasmabrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkanal mit einer Gaszuführung, insbesondere Schutzgas- und/oder Plasmagaszuführung, oder mit einer Flüssigkeitszuführung, insbesondere Kühlmediumzuführung, fluidverbunden ist.
Plasmabrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düse (13) eine Absaugeinrichtung (14) zum Absaugen des bei der Bearbeitung auftretenden Staubes und ein Dichtmittel (15) zugeordnet sind, wobei das Dichtmittel (15) im Ansaugbereich der Absaugeinrichtung (14) und/oder im Austrittsbereich der Düse (13) angeordnet ist, um im Gebrauch gegen das Werkstück derart abzudichten, dass der Staub zurückgehalten und durch die Absaugeinrichtung (14) abgesaugt wird.
Plasmabrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugeinrichtung (14) ein Absaugrohr (18) umfasst, das seitlich vom Brennerkopf (11) angeordnet ist und über die Düse (13), insbesondere über die Ringelektrode in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls vorsteht.
Plasmabrenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (15) eine Schleppe (19) zum Abdecken der bei der Bearbeitung des Werkstücks entstehenden Fuge umfasst, wobei die Schleppe (19) der Düse (13) in Vorschubrichtung des Brennerkopfs (10) nachgeordnet ist, und/oder das Dichtmittel (13) eine Schürze (20) umfasst, die über die Düse (13), insbesondere über die Ringelektrode, in Ausbreitungsrichtung des Plasmastrahls vorsteht und im Gebrauch gegen das Werkstück abdichtet.
Plasmabrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zufuhrkanal (22) in den Austrittsbereich der Düse (13) mündet.
Plasmabrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (13) und die Ringelektrode (16) ein integrales Bauteil oder zwei gesonderte Bauteile bilden.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes durch Schneiden und/oder Fugenhobeln, bei dem ein Plasmastrahl durch Zufuhr eines ionisierbaren Gases in einen Lichtbogen L erzeugt wird, der zwischen einer ersten und zweiten Elektrode, insbesondere Kathode (11) und Anode (16), eines Plasmabrenners brennt, wobei der Plasmastrahl aus einer Düse (13) austritt, auf das Werkstück auftrifft, und Material vom Werkstück abträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen L auf dem Umfang der zweiten Elektrode, die eine Ringelektrode, insbesondere Ringanode (16), bildet, umläuft und der Plasmastrahl durch die Ringelektrode hindurch strömt.