DE102016006626A1

DE102016006626A1 - Mehrfachkomponentenelektrode für einen plasmaschneidbrenner sowie brenner, der diese enthält

Info

Publication number: DE102016006626A1
Application number: DE102016006626.1A
Authority: DE
Inventors: Yun Yang
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2016-12-08
Also published as: US20160360603A1; CN106238885A

Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen Plasmabogenschneidbrenner (400) und eine Elektrodenanordnung (100), die im Brenner (400) verwendet wird. Die Elektrodenanordnung (100) enthält einen hoch thermionischen Emissionseinsatz (103) und eine hoch wärmeleitende Hülle (105, 705), die wenigstens einen Teil des Einsatzes bedeckt. Die Hülle (105, 705) trägt zur Kühlung des Einsatzes (103) während des Betriebs bei und verbessert die Nutzungsdauer der Elektrode (100).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Schneidelektrodenanordnung nach Anspruch 1, 14 und 15. Vorrichtungen, Systeme, und Verfahren gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Schneiden und insbesondere auf Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, die sich auf Plasmabogenschneidbrenner und deren Komponenten beziehen, einschließlich einer Multikomponentenelektrode zur Verwendung in einem Plasmabogenschneidbrenner.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In vielen Schneid-, Sprüh und Schweißarbeiten werden Plasmabogenbrenner verwendet. Mit diesen Brennern wird ein Plasmagasstrahl bei hoher Temperatur in die Umgebungsatmosphäre abgegeben. Diese Strahlen werden aus einer Düse abgegeben und beim Verlassen der Düse sind die Strahlen stark eingeschnürt und sehr fokussiert. Wegen der hohen Temperaturen, die mit dem ionisierten Plasmastrahl verbunden sind, sind viele der Komponenten des Brenners störanfällig. Diese Störung kann den Betrieb des Brenners deutlich beeinträchtigen und zu Beginn eines Schneidvorgangs eine angemessene Bogenzündung verhindern. Einige Brenner verwenden Kupferelektroden mit einem Einsatz zusätzlich zu einem Hafniumeinsatz in einem Bemühen, diese Probleme zu beheben. Ein Beispiel dafür ist in US Patent Nr. 5,097,111 offenbart, dessen gesamte Offenbarung hiermit zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird. Dieses Patent erklärt die Verwendung eines zusätzlichen Einsatzes in der Elektrode. Diese Lösung verringert jedoch noch immer nicht die oben besprochene Störproblematik.
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Methoden werden für einen Fachmann auf dem Gebiet durch einen Vergleich solcher Methoden mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenkundig, die im Rest der vorliegenden Anmeldung in Bezug auf die Zeichnungen dargelegt ist.
BESCHREIBUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die oben beschriebene Störproblematik zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch eine Schneidelektrodenanordnung nach Anspruch 1, nach Anspruch 14 und nach Anspruch 15 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich durch die Unteransprüche. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrodenanordnung und ein Plasmabrenner, der diese enthält, wobei die Elektrodenanordnung einen Emissionseinsatz (z. B. Hafnium) und eine wärmeleitende Hülle, die den Einsatz umgibt, enthält. Die Hülle besteht aus einem hoch wärmeleitenden Material oder einem Verbund aus Materialien, die zum Kühlen des Einsatzes dienen, und verhindern, dass ein Bogen vom Einsatz zum Elektrodenkörper springt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obenstehenden und/oder andere Aspekte der Erfindung werden durch eine ausführliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen offenkundiger, in welchen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Multikomponentenelektrode der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung eines Teils der Elektrode von 1 ist;
3 eine schematische Darstellung eines Teils einer anderen beispielhaften Elektrode der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Plasmabogenschneidbrenners ist, der die Elektrode von 3 verwendet;
5 eine schematische Darstellung eines Teils einer zusätzlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine schematische Darstellung eines Teils einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und
7 eine schematische Darstellung eines Teils einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG
Es wird nun ausführlich auf verschiedene und alternative beispielhafte Ausführungsformen und auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen identische Strukturelemente bezeichnen. Jedes Beispiel dient der Erklärung und nicht als Einschränkung. Tatsächlich wird für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sein, dass Modifizierungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang oder Wesen der Offenbarung und Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung Modifizierungen und Variationen enthält, die im Umfang der beiliegenden Ansprüche und deren Äquivalente liegen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen sowohl luft- wie auch flüssigkeitsgekühlte Plasmabogenbrenner, die für verschiedenen Schneid-, Schweiß- und Sprüharbeiten nützlich sind. Die Konstruktion und der Betrieb dieser Brenner sind im Allgemeinen bekannt und daher werden ihre ausführliche Konstruktion und ihr ausführlicher Betrieb hier nicht besprochen. Ferner können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entweder bei manuellen oder mechanisierten Plasmaschneidarbeiten verwendet werden. Es sollte festgehalten werden, dass die folgende Besprechung der Deutlichkeit wegen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft, die flüssigkeitsgekühlt sind und sowohl für mechanisierte wie auch manuelle Schneidarbeiten verwendet werden können. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jedoch in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können bei anderen Arten von Schweiß- und Sprühbrennern verwendet werden, ohne vom Wesen oder Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ferner sind verschiedene Arten und Größen von Brennern bei unterschiedlichen Leistungspegeln, falls erwünscht, möglich. Die hier beschriebenen Brenner und Komponenten können zum Markieren, Schneiden oder zur Zerspanung verwendet werden. Zusätzlich können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen Strömen oder variierenden Leistungspegeln verwendet werden. Die Konstruktion und Verwendung von Kühlmittelsystemen jener Art, die mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind bekannt und müssen hier nicht ausführlich besprochen werden.
Unter Bezugnahme nun auf 1 ist eine beispielhafte Elektrode 100 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Verwendung und Konstruktion von Plasmaschneidelektroden ist im Allgemeinen gut bekannt und diese Einzelheiten müssen hier nicht besprochen werden. Wie dargestellt, hat die Elektrode 100 einen Elektrodenkörper 101, der typischerweise aus Kupfer oder einem anderen hoch wärmeleitenden Material, wie Silber, Gold, Nickel usw. besteht. Die Elektrode 100 umfasst einen Kühlungsraum 107, in den ein Kühlmedium geleitet werden kann, um die Kühlung der Elektrode 100 zu unterstützen. Am distalen Ende der Elektrode 100 erstreckt sich in dem Raum 107 ein vorstehendes Teil 109 in den Raum 107, wobei sich das vorstehende Teil 109 aus der distalen Stirnfläche 111 des Raums 107 erstreckt. Wie in der Folge näher besprochen ist, enthält das vorstehende Teil 109 einen Teil des Einsatzes 103 und vergrößert die Oberflächenkühlfläche im Raum 107 der Elektrode 100.
Wie oben erwähnt, enthält die Elektrode 100 einen hoch thermionischen Emissionseinsatz 103. Während des Schneidens wird der Plasmastrahl aus diesem Einsatz abgegeben. Häufig besteht dieser Einsatz 103 aus Hafnium, es können aber andere Materialien wie Zirkonium und Wolfram (und andere ähnliche Materialien) verwendet werden. Typischerweise hängt die nutzbare Lebensdauer der Elektrode 100 von der nutzbaren Lebensdauer des Einsatzes 103 ab, der während des Betriebs zur Erosion neigt. Ferner kann die Erosion des Einsatzes 103 beschleunigt sein, wenn die Kühlung des Einsatzes 103 und des Elektrodenkörpers 101 nicht optimal ist. Ebenso kann der generierte Plasmastrahl eine Neigung haben, vom Einsatz 103 zu springen und mit dem distalen Ende des Elektrodenkörpers 101 in Kontakt zu gelangen. Dies kann den Elektrodenkörper 101 beschädigen und sein Versagen beschleunigen.
Daher verwenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Einsatzhülle 105, die um ein Äußeres des Einsatzes 103 geschlungen ist und in das distale Ende des Elektrodenkörpers 101 wie dargestellt eingesetzt ist. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht die Hülle 105 aus einem Material hoher Wärmeübertragung und kann ein Verbundmaterial sein. Aufgrund der hohen Wärmeübertragungsrate unterstützt die Hülle 105 eine Optimierung der Kühlung des Einsatzes 103. Somit haben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Nutzungsdauer im Vergleich zu bekannten Elektroden.
Die Hülle 105 kann aus einer Anzahl von Materialien hoher Wärmeübertragungsrate und Verbundstoffen davon bestehen. Zum Beispiel kann die Hülle in einigen beispielhaften Ausführungsformen aus einem Material mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen oder kann ein Matrixmaterial aus entweder Kupfer oder Silber aufweisen, das mit einem anderen Material hoher Wärmeleitfähigkeit imprägniert ist. Sowohl Kupfer wie auch Silber hat eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit. Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 401 W/mK bei 20°C und Silber hat eine Leitfähigkeit von etwa 429 W/mK bei 20°C. Während diese für einige Anwendungen annehmbar sind, ist es wünschenswert, eine beträchtlich höhere Leitfähigkeit bei der Ableitung von Wärme vom Einsatz 103 zu haben. Daher besteht die Hülle 105 in beispielhaften Ausführungsformen aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 700 W/mK bei 20°C. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen besteht die Hülle 105 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1000 W/mK bei 20°C. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen hat das Material eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1000 bis 2500 W/mK bei 20°C. Es wird festgehalten, dass, da beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Zusammensetzung oder eine Matrix von Materialien enthalten können (wie in der Folge ausführlicher besprochen ist), die obenstehende Besprechung der Wärmeleitfähigkeit die gesamte Wärmeleitfähigkeit der Hülle 105 betrifft. Das heißt, die Hülle 105 kann aus einer Matrix von Materialien mit Wärmeleitfähigkeitseigenschaften über oder unter den Zahlen aufweisen, während jedoch die gesamte Leitfähigkeit wie oben beschrieben ist. Da zusätzlich Wärme die Wärmeleitfähigkeit von Materialien beeinflussen kann (z. B. kann die Wärmeleitfähigkeit bei höheren Temperaturen zunehmen), haben Materialien, die in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden, auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silber selbst bei höheren Temperaturen. Das heißt, das wärmeleitende Material, das in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird, hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silber im gesamten Betriebstemperaturbereich, der während der Schneidvorgänge auftritt, der von 100 bis 1600°C reichen kann. Zum Beispiel können einige beispielhafte Ausführungsformen eine Hülle 105 verwenden, die aus Kohlenstoffkettenmaterialien bestehen, wie Diamanten, Nanoröhrchen oder Nanofasern und Graphen. Diese Arten von Kohlenstoffkettenmaterialien können eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit – höher als 2000 W/mK – haben und können mit einem Abscheidungsprozess, wie einer Dampfabscheidung, auf dem Hafniumeinsatz 103 aufgebracht werden. Zum Beispiel kann eine DLC-(diamantartige Kohlenstoff-)Beschichtung auf dem Einsatz 103 durch Dampfabscheidung aufgebracht werden, bevor der Einsatz 103 an den Elektrodenkörper 101 gekoppelt wird. Diese Schicht/Hülle 105 trägt maßgeblich zur Kühlung des Einsatzes 103 bei, da ihre Wärmeleitfähigkeit viel höher als jene von Kupfer oder Silber ist. Ferner haben einige dieser Materialien, wie Graphen, auch eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit, die dazu beiträgt, dass der Schneidstrom vom Elektrodenkörper 101 zum Einsatz 103 strömen kann. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Hülle 105 aus dem Kohlenstoffkettenmaterial eine Dicke im Bereich von 10 bis 50 Mikrometer haben. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Dicke der Hülle 105 dicker sein. Somit besteht in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Hülle 105 aus Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann das Material der Hülle 105 auch eine geringe Wärmeausdehnung haben – um eine Dimensionsintegrität zu bewahren – und kann elektrisch leitend sein. Dies trägt zur Optimierung der Leistung der hier in Betracht gezogenen Elektroden bei.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Hülle mit dem Einsatz 103 und dem Elektrodenkörper 101 pressgepasst sein, wobei eine Presskraft auf den Elektrodenkörper 101 ausgeübt wird, um somit den Einsatz 103 und die Hülle 105 zusammenzupressen, um die Komponenten im Körper 101 zu befestigen. Beispielhafte Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf beschränkt und es können andere Verfahren zur Befestigung der Komponenten verwendet werden. Zum Beispiel kann die Hülle 105 eine metallurgische Verbindung mit dem Einsatz und/oder dem Körper 101 haben. Beispiele für solche Verbindungen können durch Löten gebildet werden.
In zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen kann die Hülle 105 aus einem Verbundmaterial bestehen, mit einem Basismatrixmaterial – das zum Beispiel Kupfer oder Silber sein kann – und einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, das in der Matrix suspendiert ist. Auch hier kann das suspendierte Material ein Material auf Kohlenstoffbasis, wie Diamanten usw., sein. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann das suspendierte Material ein thermischer pyrolytischer Graphit (TPG) sein. TPG ist eine Form von pyrolytischem Graphit, der durch Wärmezersetzung aus Kohlenwasserstoffgas in einem chemischen Hochtemperatur-Dampfabscheidungsreaktor hergestellt wird. Materialien wie TPG können eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1500 W/mK bei 20°C haben. Ferner können diese Materialien in einer Silber- oder Kupfermatrix durch Prozesse wie Sintern suspendiert werden und eine Verbundmaterialhülle 105 erzeugen, welche die Wärmeleistung des Einsatzes 103 deutlich erhöht. Die Verbundstoffhülle 105 wird wiederum an einer Außenfläche des Einsatzes 103 angebracht und zwischen dem Einsatz 103 und dem Elektrodenkörper 101 platziert. Da ein Matrixmaterial aus Kupfer oder Silber verwendet wird – die jeweils eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit haben – kann die Hülle 105 den Einsatz 103 im Körper 101 vollständig bedecken. In 1 hüllt die Hülle 105 den Einsatz 103 (im Körper 101) nicht vollständig ein. In Ausführungsformen jedoch, wo die Hülle eine gute elektrische Leitfähigkeit hat, kann die Hülle 105 den Einsatz 103 so bedecken, dass kein Teil des Einsatzes 103 direkt mit dem Material des Körpers 101 in Kontakt steht.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann das Material der Hülle 105 aus metallurgischen Legierungen bestehen, die die gewünschte thermische und elektrische Leistung bereitstellen. Zum Beispiel kann eine Legierung, die Kupfer, Chrom, Zink und Titan umfasst, verwendet werden. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann ein Pulversinterprozess zum Bilden eines Metallmatrixverbundstoffs aus Materialien verwendet werden, der die gewünschten thermischen und elektrischen Eigenschaften bereitstellt. Ein Beispiel eines solchen Verbundstoffs wäre ein Metall-Diamant-Verbundmaterial, das zum Erreichen der gewünschten thermischen und elektrischen Eigenschaften verwendet werden kann. Das Metall kann jedes der Materialien, Legierungen sein, auf die hier verwiesen wurde, wie auch andere, welche die gewünschten Eigenschaften besitzen. Zusätzlich kann ein Nanofaser-verstärker Verbundprozess verwendet werden, um eine Hülle 105 der vorliegenden Erfindung zu bilden. Zum Beispiel kann ein kohlenstoff- oder graphenverstärkter Verbundstoff verwendet werden.
In weiteren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Elektrodenkörper 101 selbst ein Verbundmaterial. Zum Beispiel kann der Elektrodenkörper aus einem Kupfer- oder Silbermatrixmaterial bestehen, in das ein auf Kohlenstoff basierendes Material – wie Diamanten – imprägniert ist, was die gesamte Wärmeleitfähigkeit des Elektrodenkörpers verbessert. Auch hier kann das Kohlenstoffmaterial mit einem Prozess wie Sintern imprägniert werden. Natürlich können andere Herstellungsprozesse zum Bilden eines Verbundmaterial-Elektrodenkörpers 101 verwendet werden. Ferner kann in anderen beispielhaften Ausführungsformen nur der Raum 121, in den der Einsatz 103 eingesetzt ist, mit Kohlenstoffmaterialien, wie Diamanten, imprägniert werden. Das heißt, in einigen Ausführungsformen ist der Großteil des Elektrodenkörpers 101 ein festes Material, wie Kupfer oder Silber, aber die Wände des Raums 121 am distalen Ende der Elektrode 100 sind mit Diamanten oder einigen der anderen, oben besprochenen Materialien imprägniert, so dass die Wärmeleitfähigkeit des Elektrodenkörpers 101 im Bereich des Raums 121 gegenüber dem Rest des Elektrodenkörpers 101 erhöht ist. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Wärmeleitfähigkeit der imprägnierten Teile des Elektrodenkörpers 101 im Bereich von 500 bis 1000 W/mK bei 20°C. In einigen solchen Ausführungsformen ist die Hülle 105 nicht erforderlich und wird somit nicht verwendet, so dass der Einsatz 103 in direktem Kontakt mit den Verbundstoffwänden des Raums 121 steht. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen werden sowohl eine Hülle 105 wie auch ein Verbundmaterialraum 121 verwendet.
2 zeigt eine nähere Ansicht des distalen Endes der oben beschriebenen Elektrode 100. Wie dargestellt, ist die Hülle 105 in dem Raum 121 befestigt, der am distalen Ende der Elektrode 100 gebildet ist, so dass die distalen Stirnflächen der Hüllenschale 105 und des Körpers 101 im Allgemeinen komplanar sind. Wie oben erklärt, wenn das Material der Hülle 105 eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, kann es den Einsatz 103 vollständig umschließen und den Einsatz 103 vom Material des Körpers 101 trennen. Es ist klar, dass dies nicht bedeutet, dass die distale Stirnfläche des Einsatzes ”umschlossen” ist. In anderen Ausführungsformen jedoch kann das Material der Hülle 105 keine ideale elektrische Leitfähigkeit aufweisen. In solchen Ausführungsformen erstreckt sich die Hülle 105 über eine Länge L entlang des Einsatzes 103, so dass wenigstens ein Teil des Einsatzes 103 in direkten Kontakt mit dem Raum 121 des Elektrodenkörpers 101 gelangt. In der in 2 dargestellten Ausführungsform hat die Hülle 105 eine Länge L und der Einsatz hat eine Gesamtlänge, gemessen von der distalen Fläche 112 des Körpers, von LH. In beispielhaften Ausführungsformen liegt die Länge L der Hülle 105 im Bereich von 90 bis 40% der Länge LH. In anderen beispielhaften Ausführungsformen liegt die Länge L im Bereich von 80 bis 55% der Länge LH. Typischerweise wird die Länge L so gewählt, dass ein ausreichender elektrischer Kontakt zwischen dem Einsatz 103 und dem Körper 101 hergestellt wird, so dass der Schneidstrom zum Einsatz 103 strömen kann, um das Plasma zu erzeugen.
Ferner hat die Hülle 105 in der dargestellten Ausführungsform eine konstante Dicke T, so dass der Raum 121 im Allgemeinen zylindrisch ist. Wie jedoch unten näher besprochen ist, kann die Dicke T in einigen Ausführungsformen variieren. Ferner kann, abhängig von den für die Hülle verwendeten Materialien, die Dicke T der Hülle 105 von 10 bis 50 Mikrometer reichen. In anderen beispielhaften Ausführungsformen jedoch kann die Dicke T viel größer sein und kann im Bereich von 0,04 bis 0,2 Inch liegen. Natürlich kann auch eine andere Dicke verwendet werden und ist eine Funktion der Größeneinschränkungen des Elektrodenkörpers 101 und der gewünschten Wärmeleitfähigkeitsleistung.
Zusätzlich, wie dargestellt, hat die Hülle 105 einen Außendurchmesser d – gemessen auf der distalen Fläche 112 des Körpers 101 – wobei der Durchmesser d im Bereich von 35 bis 95% des Durchmessers D der distalen Stirnfläche 112 des Körpers 101 liegt. In anderen Ausführungsformen liegt der Durchmesser d im Bereich von 45 bis 85% des Durchmessers D. Es wird festgehalten, dass der Durchmesser D der Durchmesser der flachen Stirnflächenoberfläche 112 des distalen Endes des Körpers 101 ist.
Es sollte festgehalten werden, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Schneidbrennern und -systemen verwendet werden kann, die stark in Strom- und Leistungspegeln variieren. Das heißt, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in einem Schneidsystem von weniger als 100 Ampere bis höher als 400 Ampere verwendet werden. Aufgrund der Wärmeattribute von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung jedoch werden viele der Vorteile von hier offenbarten Ausführungsformen in Schneidanwendungen mit höheren Strompegeln ausgeprägter sein. Zum Beispiel können hier besprochene Elektroden in Schneidanwendungen im Bereich von 275 bis 400 Ampere verwendet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen, die an Verbrauchsgüter gestellt werden, wenn bei unterschiedlichen Strompegeln gearbeitet wird, können ferner die Dimensionsverhältnisse einiger der hier besprochenen Komponenten für unterschiedliche Strompegel optimiert werden.
Beim Zusammenbauen/Herstellen beispielhafter Ausführungsformen der Elektrode 100, wie dargestellt, werden der Einsatz 103 und die Hülle 105 (falls vorhanden) in den Raum 121 eingesetzt. Dann wird eine radial gerichtete Presskraft auf die Seiten des Elektrodenkörpers 101 am distalen Ende ausgeübt, so dass die Hülle 105 und der Einsatz 103 in den Elektrodenkörper 101 gepresst und durch diese Presskraft an Ort und Stelle gehalten werden. Die radiale Presskraft wird so ausgeübt, dass der Außendurchmesser des Elektrodenkörpers 101 an der Stelle der Presskraft um etwa 3 bis 8% verringert wird.
3 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform der Hülle 105 der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, hat die Hülle 105 in dieser Ausführungsform eine variable Wanddicke entlang ihrer Länge L. In der dargestellten Ausführungsform hat die Hülle 105 einen dicken distalen Endabschnitt 133 und einen dünnwandigen stromaufwärts liegenden Abschnitt 131. Eine solche Ausführungsform kann zum Erhöhen der Masse der Hülle 105 verwendet werden, ohne die strukturelle Integrität des vorstehenden Teils 109 der Elektrode 100 zu beeinträchtigen. Der dickere Abschnitt 133 hat eine Wanddicke T, die dicker als die Wanddicke t des stromaufwärts liegenden Abschnitts 131 ist. In beispielhaften Ausführungsformen ist die Dicke T im Bereich von 400 bis 50% dicker als die Dicke t. In anderen Ausführungsformen ist die Dicke T im Bereich von 300 bis 100% dicker als die Dicke t. Ferner hat der dicke distale Abschnitt 133 eine Länge L', wobei die Länge L' im Bereich von 35 bis 75% der Länge der Gesamtlänge L der Hülle 105 liegt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen liegt die Länge L' im Bereich von 45 bis 65%. In der dargestellten Ausführungsform hat die Hülle 105 eine einzige Dickenstufe/einen Übergang vom distalen Abschnitt 133 zum stromaufwärts liegenden Abschnitt 131. Andere beispielhafte Ausführungsformen können jedoch mehrere Dickenänderungen verwenden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die in 3 dargestellte Gestaltung beschränkt.
Während 3 die Hülle 105 mit einem Durchmesser d zeigt, der kleiner als der Durchmesser D ist, kann zusätzlich in anderen beispielhaften Ausführungsformen die Hülle das distale Ende des Körpers 101 vollständig bedecken, so dass die Hülle 105 die Gesamtheit des Enddurchmessers D der distalen Fläche 112 umschließt. In solchen Ausführungsformen kann die Hülle 105 eine Endkappe des Körpers 101 sein, wobei die Gesamtheit des Durchmessers D der distalen Fläche 112 und wenigstens etwas von dem Seitenwandabschnitt des Körpers 101 aus der Hüllenkomponente 105 bestehen kann. Somit kann in solchen Ausführungsformen die Hülle 105 als eine Endkappe oder als ein Stöpsel am distalen Ende des Körpers 101 und des Raums 107 dienen.
Ferner besteht in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Elektrodenkörper 101 aus einem sauerstofffreien Kupfer hoher Wärmeleitfähigkeit. Solche Kupferlegierungen sind typischerweise 99,99% reines Kupfer mit einem geringen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 0,0005 Gewichtsprozent. Ein Beispiel einer solchen Kupferlegierung ist C10100. Ein Kupfer dieser Legierung stellt die Wärmeübertragungseigenschaften bereit, die wünschenswert sind ist, aber auch für eine maschinelle Bearbeitung und ein Zusammenpressen geeignet – so dass es mit den Nuten in der Schale verpresst werden kann.
Unter Bezugnahme nun auf 4 ist eine Brenneranordnung 400 dargestellt, die eine beispielhafte Elektrode 100 der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie zuvor erwähnt, kann der Brenner 400 jede Art von bekanntem Plasmabogenschneidbrenner sein, enthaltend, ohne aber darauf beschränkt zu sein, luftgekühlt, flüssigkeitsgekühlt, Kontaktstart, Nicht-Kontaktstart, Hochstrom, Niederstrom, manuell und/oder mechanisiert. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Da die allgemeine Konstruktion und der allgemeine Betrieb solcher Brenner bekannt sind, müssen ferner diese Einzelheiten hier nicht besprochen werden. Wie in 4 dargestellt, kann ein beispielhafter Brenner 400 die hier besprochene Elektrodenanordnung 100 und Komponenten wie eine Schirmkappe 415, eine Düse 413, einen Drallring 411, einen Kathodenkörper 403, an dem die Elektrode 100 befestigt ist – häufig durch Gewinde an der Elektrodenanordnung 100 – enthalten. Der Brenner kann auch Komponenten wie eine Isolatorstruktur 409 und eine Haltekappenanordnung 417a–417c enthalten, die dazu beiträgt, den Schirm 415 und die Düse 413 am Brenner 400 zu befestigen. Wie im Allgemeinen klar ist, gibt der Einsatz 103 den Plasmastrahl/-bogen ab, der durch eine Öffnung in der Düse 413 und dann durch eine Öffnung in der Schirmkappe 415 austritt. Ferner kann ein Abschirmungsgas dem Brenner bereitgestellt werden, das dann zwischen der Düse 413 und der Schirmkappe 415 hindurchströmt, um ebenso durch eine Öffnung am distalen Ende der Schirmkappe 415 ausgestoßen zu werden.
Der Betrieb der Brenneranordnung 400 unter Verwendung der beispielhaften Elektrodenanordnung 100 ist nicht anders als der Betrieb bekannter Brenner. Wegen der oben besprochenen Attribute jedoch hat die Elektrodenanordnung 100 eine längere Nutzungsdauer als bekannte Elektroden. Daher stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung signifikante Verbesserungen gegenüber bekannten Elektroden bereit.
5 bis 7 zeigen ferner beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in den hier besprochenen Schneidprozessen und der beispielhaften Brenneranordnung 400 verwendet werden können.
5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform ähnlich der in 2 besprochenen. In dieser beispielhaften Ausführungsform sind jedoch die Hülle 105 und der Einsatz 103 zum Kühlungsraum 107 hin freiliegend. In solchen Ausführungsformen können die Hülle und der Einsatz direkt durch das Kühlmittel in der Elektrode gekühlt werden – das entweder eine Flüssigkeit oder Luft/Gas sein kann. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann die Hülle 105 den Einsatz im Raum 107 vollständig bedecken (wie durch die gestrichelten Linien in 5 dargestellt), so dass nur die Hülle 105 mit dem Kühlmittel im Raum 107 in Kontakt ist.
6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform, die wieder ähnlich der in 2 besprochenen ist. In dieser beispielhaften Ausführungsform hat die Hülle 105 jedoch mehrere Vorsprünge 601, die aus einer Außenfläche 610 der Hülle 105 ragen. Die Vorsprünge 601 tragen zur Befestigung der Hülle im Körper 101 bei. Wenn zum Beispiel der Körper auf die Hülle 105 gepresst wird, kann die Presskraft den Körper 101 um die Vorsprünge 601 und die Hülle 105 verformen, was zur Befestigung der Hülle 105 im Körper 101 beiträgt. Darüber hinaus erhöhen die Vorsprünge 601 die Kontaktfläche, was die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung erhöht. Die Vorsprünge 601 können jede gewünschte Form oder Gestaltung haben.
7 zeigt eine zusätzliche beispielhafte Ausführungsform, in der eine zweite Hülle 705 verwendet wird. Wie dargestellt, steht der Einsatz 103 mit einer ersten Hülle 105 in Kontakt und die erste Hülle 105 steht mit einer zweiten Hülle 705 in Kontakt. Die zweite Hülle kann aus anderen hoch wärmeleitenden Materialien als die erste Hülle 105 bestehen und eine andere Wärmeleitfähigkeit haben. Zum Beispiel kann die äußere Hülle 705 eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die innere Hülle 105 haben. Wie dargestellt, kann ferner die äußere Hülle 705 eine Länge aufweisen, die geringer als jene der inneren Hülle 705 ist. Natürlich können andere Gestaltungen verwendet werden, ohne vom Wesen oder Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform von 7 kann eine flexiblere Verwendung von Materialien ermöglichen, um die gewünschte thermische und elektrische Leistung zu erreichen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die äußere Hülle 705 die innere Hülle 105 und den Einsatz 103 vollständig umschließen – wie durch die gestrichelte Linie in 7 dargestellt ist. Solche Ausführungsformen können zur Kostensenkung beitragen, da die innere Hülle 103 aus einem ersten hoch wärmeleitenden Material bestehen kann und die äußere Hülle 705 aus einem zweiten, weniger teuren, hoch wärmeleitenden Material bestehen kann. Zum Beispiel kann die äußere Hülle 705 eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1500 W/mK bei 20°C haben und die innere Hülle 105 kann eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 500 bis 1000 bei 20°C haben. Natürlich können andere Bereiche und Verhältnisse verwendet werden, um die gewünschte Leistung zu erreichen, ohne vom Wesen oder Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Während der beanspruchte Gegenstand der vorliegenden Anmeldung in Bezug auf gewisse Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute auf dem Gebiet klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente eingesetzt werden können, ohne vom Umfang des beanspruchten Gegenstands abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifizierungen zur Anpassung einer bestimmten Situation oder eines bestimmten Materials an die Lehren des beanspruchten Gegenstands an die Lehren des beanspruchten Gegenstands vorgenommen werden, ohne von dessen Umfang abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass der beanspruchte Gegenstand nicht auf die besondere offenbarte Ausführungsform begrenzt ist, sondern der beanspruchte Gegenstand alle Ausführungsformen enthält, die in den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

100: electrode
101: Elektrodenkörper
103: Einsatz
105: Einsatzhülle
107: Raum
109: Teil
111: Stirnfläche
112: (Ober-)Fläche
121: Raum
131: Abschnitt
133: Endabschnitt
400: Brenner(anordnung)
403: Kathodenkörper
409: Isolatorstruktur
411: Drallring
413: Düse
415: Schirmkappe
417a–417c: Haltekappenanordnung
601: Vorsprung
610: Außenfläche
705: Hülle
LH: Länge
L: Länge
L': Länge
T: Dicke
t: Wanddicke
D: Durchmesser
d: Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5097111 [0002]

Claims

Schneidelektrodenanordnung (100) umfassend: einen Elektrodenkörper (101) mit einem Kühlungsraum (107) und einem zweiten Raum, der an einem distalen Ende des Elektrodenkörpers (101) angeordnet ist; eine wärmeleitende Schale, die in den zweiten Raum eingesetzt ist, wobei die wärmeleitende Schale eine äußere Wandfläche und einen Schalenraum mit einer Öffnung an einem distalen Ende der wärmeleitenden Schale aufweist; und einen thermionischen Emissionseinsatz (103), der im Schalenraum positioniert ist, wobei die wärmeleitende Schale eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 700 W/mK bei 20°C hat und wobei die wärmeleitende Schale eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silber im gesamten Temperaturbereich von 100 bis 1600°C hat.
Schneidelektrode (100) nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitende Schale eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1000 W/mK bei 20°C hat, insbesondere im Bereich von 1000 bis 2500 W/mK bei 20°C.
Schneidelektrode (101) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wärmeleitende Schale ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1500 W/mK bei 20°C enthält.
Schneidelektrode (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die wärmeleitende Schale elektrisch leitend ist.
Schneidelektrode (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die wärmeleitende Schale eine Wanddicke im Bereich von 10 bis 50 Mikrometer hat, insbesondere eine Wanddicke im Bereich von 0,04 bis 0,2 Inch.
Schneidelektrode (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wärmeleitende Schale den Emissionseinsatz (103) außer am distalen Ende der Elektrode (100) umschließt.
Schneidelektrode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Wand des zweiten Raums mit einem Material imprägniert ist, das eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 500 bis 1000 W/mK bei 20°C hat.
Schneidelektrode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die wärmeleitende Schale eine Länge (L) hat, die im Bereich von 40 bis 90% der Gesamtlänge (LH) des Einsatzes (103) liegt, insbesondere im Bereich von 55 bis 80% der Gesamtlänge (LH) des Einsatzes.
Schneidelektrode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die wärmeleitende Schale auf einer Außenfläche des Einsatzes (103) durch Dampfabscheidung abgeschieden ist.
Schneidelektrode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die wärmeleitende Schale eine Wanddicke hat, die entlang einer Länge der wärmeleitenden Schale variiert.
Schneidelektrode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die wärmeleitende Schale einen Durchmesser (d) an einer distalen Stirnfläche des distalen Endes des Elektrodenkörpers (101) hat und die distale Stirnfläche einen Durchmesser (D) hat und der Durchmesser (d) im Bereich von 35 bis 95% des Durchmessers (D) der distalen Stirnfläche liegt, insbesondere im Bereich von 45 bis 85% des Durchmessers (D) der distalen Stirnfläche liegt.
Schneidelektrode (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei wenigstens ein Teil der wärmeleitenden Schale zum Kühlungsraum (107) hin freiliegt.
Schneidelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die wärmeleitende Schale einen ersten Abschnitt mit einer ersten Wanddicke (t) und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Wanddicke (T) aufweist, wobei die zweite Wanddicke im Bereich von 50 bis 400% größer als die erste Wanddicke ist, und/oder wobei der zweite Abschnitt eine Länge (L') hat, die im Bereich von 35 bis 75% der Länge (L) der Schale liegt.
Schneidelektrodenanordnung (100) umfassend: einen Elektrodenkörper (101) mit einem Kühlungsraum (107) und einem zweiten Raum, der an einem distalen Ende des Elektrodenkörpers (101) angeordnet ist; eine thermisch und elektrisch leitende Schale, die in den zweiten Raum eingesetzt ist, wobei die leitende Schale eine äußere Wandfläche und einen Schalenraum mit einer Öffnung an einem distalen Ende der leitfähigen Schale aufweist; und einen thermionischen Emissionseinsatz (103), der im Schalenraum positioniert ist, wobei die leitfähige Schale eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1000 W/mK bei 20°C hat, wobei die leitfähige Schale eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silber im gesamten Temperaturbereich von 100 bis 1600°C hat, wobei die leitfähige Schale eine Länge (L) hat, die im Bereich von 40 bis 90% der Gesamtlänge (LH) des Einsatzes (103) liegt, und wobei die wärmeleitende Schale einen Durchmesser (d) an einer distalen Stirnfläche des distalen Endes des Elektrodenkörpers (101) hat und die distale Stirnfläche einen Durchmesser (D) hat und der Durchmesser (d) im Bereich von 35 bis 95% des Durchmessers (D) der distalen Stirnfläche liegt.
Schneidelektrodenanordnung (100) umfassend: einen Elektrodenkörper (101) mit einem Kühlungsraum (107) und einem zweiten Raum, der an einem distalen Ende des Elektrodenkörpers (101) angeordnet ist; eine wärmeleitende Schale, die in den zweiten Raum eingesetzt ist, wobei die wärmeleitende Schale eine äußere Wandfläche und einen Schalenraum mit einer Öffnung an einem distalen Ende der wärmeleitenden Schale aufweist; und einen thermionischen Emissionseinsatz (103), der im Schalenraum positioniert ist, wobei die wärmeleitende Schale eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1000 und 2500 W/mK bei 20°C hat, wobei die leitfähige Schale eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silber im gesamten Temperaturbereich von 100 bis 1600°C hat, wobei die wärmeleitende Schale ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1500 W/mK bei 20°C umfasst und wobei die wärmeleitende Schale einen Durchmesser (d) an einer distalen Stirnfläche des distalen Endes des Elektrodenkörpers (101) hat und die distale Stirnfläche einen Durchmesser (D) hat und der Durchmesser (d) im Bereich von 35 bis 95% des Durchmessers (D) der distalen Stirnfläche liegt.