DE1208838B

DE1208838B - Lichtbogenplasma-Brenner

Info

Publication number: DE1208838B
Application number: DEU9680A
Authority: DE
Inventors: Leonard Mauskapf
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1962-03-30
Filing date: 1963-03-29
Publication date: 1966-01-13
Also published as: SE311965B; GB1008687A; NO118089B; BE629882A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B23k

Deutsche KL: 21h-30/12

Nummer: 1208 838

Aktenzeichen: U 9680 VIII d/21 h

Anmeldetag: 29. März 1963

Auslegetäg: 13. Januar 1966

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenplasma-Brenner mit einem zusätzlichen Gas-Hüllstrom um den zentralen Plasmastrahl, insbesondere zum Schneiden, Schweißen und Schälen.

Lichtbogenplasma-Brenner weisen allgemein eine Stabelektrode auf, die innerhalb einer Düse mit verengter Auslaßöffnung angeordnet ist. Ein Lichtbogen wird zwischen der Stabelektrode und dem Werkstück gezogen. · Ein in die Düse eingeführter Gasstrom, der zusammen mit dem Lichtbogen durch die verengte Auslaßöffnung austritt, bildet ein richtungsstabiles, gegen das Werkstück gerichtetes Lichtbogenplasma. Die mittels solcher Brenner erzielten Ergebnisse hängen von der Beschaffenheit der zu schneidenden Flächen oder der Schweiße sowie von der Arbeitsgeschwindigkeit ab.

Es wurde überraschend gefunden, daß die Afbeitsqualität und die Arbeitsgeschwindigkeit wesentlich dadurch gesteigert werden können, daß bei einem Brenner der eingangs genannten Art die verengte Auslaßöffnung der Düse von einer Mehrzahl ringförmig angeordneter Gasdurchlässe konzentrisch umgeben ist, die mit dem Gasraum innerhalb der Düse in Verbindung stehen. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, daß ein besonders weitreichender, steifer Plasmastrahl erhalten wird, weil der aus den ringförmig angeordneten Gasdurchlässen austretende Hüllstrahl die Plasmasäule begrenzt und den Durchtritt des Plasmastrahls, durch den .Raum,zwischen ~'¹' Düse und Werkstück erleichtert.

Versuche zeigten besonders beachtliche Verbesserungen beim Schneiden mit "möglichst senkrecht zu Ober- und Unterseite des Werkstücks verlaufenden Schnittflächen. Mit einem erfindungsgemäß aus- ■ gebildeten Brenner konnte eine bessere Schnittgüte bei mehr als der doppelten Schnittgeschwindigkeit eines üblichen Plasmaschneidbrenners erhalten werden, dessen Düse nur die verengte mittlere Auslaßöffnung hat. -■;

Es ist zwar bei Lichtbogenplasma-Brennern bereits bekannt, den Plasmastrahl mit einem" zusätzlichen Gasmäntel zu umhüllen, der aus Gasdurchlässen austritt, die die verengte Auslaßöffnung ringförmig umgeben. Dabei geht es jedoch nur darum, die Innenwandungen der Düse zu schützen oder mittels des Hüllstrahls des Sekundärgases eine zusätzliche Abschirmung der' Schweißstelle zu bewirken, während als Mittel zur Erzeugung eines steifen und stabilen Pläsmastroms die kinetische Energie des eigentlichen Plasmastrahls dient.

^: Bei Schweißbrennern ist es ferner bekannt, um eine zentrale Düse herum ringförmig angeordnete Einzel-Lichtbogenplasma-Brenner

Anmelder:

Union Carbide Corporation, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Schwan, Pateritanwalt,

München 8, Goerzer Str. 15

Als Erfinder benannt: · ..".-"

Leonard Mauskapf, Old Bridge, N.J. (V.St.A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. März 1962 (183 871)

düsen vorzusehen. Auch dort soll aber nur die Schweißstelle abgeschirmt und nicht ein weitreichender, steifer Plasmastrahl erzeugt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Düse eine ringförmige Gaskammer aufweisen, die einerseits mit der Gaszuführung und andererseits über einen oder mehrere tangential Kanäle mit dem Ringraum zwischen der Innenwand der Düse und der Stabelektrode verbunden ist.

Weitere Merkmale;, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Lichtbogenbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

509 778/294-

3 4

Fig. 2 eine Unteransicht des in Fig. 1 darge- tretende Gas ist vorzugsweise ein reaktives Gas, wie

stellten Brenners, ■". '-. ■ ' "> Sauerstoff, eine Mischung aus Wasserstoff und Stick-

F i g. 3 einen senkrechten Schnitt längs der Linie stoff, Luft, Kohlendioxyd oder Kohlenmonoxyd, vor-

3-3 der F i g. 2. zugsweise für Schneidzwecke; zum Schweißen werden

Der Brenner umfaßt einen Körper B aus Isolier- 5 Argon und Helium bevorzugt.

material, beispielsweise Nylon, mit einer Mittel- Der Lichtbogen wird durch das Gas in der verbohrung, in der eine Elektrode E befestigt ist. Eine engten Öffnung 36 zwischen dem Elektrodenkopf 20 Stromquelle ist an die Elektrode E und das Werk- und dem Werkstück W gezogen. Die Durchtrittsstück W angeschlossen. ' öffnung 36 begrenzt und stabilisiert den Lichtbogen,

Inder gezeigten Vorrichtung umfaßt die Elektrode i? io und der entstehende Hochleistungslichtbogen veran-

ein Elektrodenrohr 12, vorzugsweise aus Messing, laßt das austretende Plasma, auf dem Werkstück

das in das obere Ende der Bohrung in dem Brenn- zu wirken.

körper B eingesteckt und am Boden durch einen Durch die Verwendung des Ringes kleiner Löcher 40 Elektrodeneinsatz 14 abgeschlossen ist, der Vorzugs- -, um die mittlere Öffnung 36 ergibt-sich ein-Schnitt weise aus einem wärmeleitenden Metall, wie Kupfer, 15 mit wenig Abschrägung und ohne Unsauberkeiten, besteht. Das Rohr 15 erstreckt sich in die Elektroden- Kohlenstoffstahl von 2,5 cm (1 Zoll) Stärke wurde mit röhre 12 und hat eine Öffnung nahe dem Einsatz 14; einer Schnittgeschwindigkeit von 75 cm/min bei 100 V es liefert Kühlwasser, das auf der Außenseite des und 200 A und Anwendung von 5,89 m³ Sauerstoff-Rohres 15 und innerhalb der Elektrodenröhre 12 gas pro Stunde geschnitten. Bei diesen Betriebswerten wieder zurückfließt. .-■--■■ ₂₀ _war die Veränderung und Verformung des 0,46 cm

Der Elektrodeneinsatz 14 hat in der Mitte an seiner , dicken Elektrodeneinsatzes vernachlässigbar klein.

Unterseite einen Lichtbogenkopf 20, der vorzugsweise Wenn der Brenner mit ,38OA, 130 V und 14 m³

aus sich nicht abnutzendem Material besteht, wie Sauerstoff pro Stunde' betrieben wird, kann eine

Zirkon, Wolfram, Zirkon* oder Thoriumverbin-- Schnittgeschwindigkeit von 200 cm/min aufrecht-

dungen. 25 erhalten werden, aber die Lebensdauer des-Einsatzes

Eine Gasführungsdüse 22, vorzugsweise aus wärme- wird sich wahrscheinlich verringern. Mit 1,27 cm leitendem Material, wie Kupfer, ist am Körper B dickem (VaZölligem) Kohlenstoffstahl wurden bei mit HiMe ejiner Überwurf kappe 24, vorzugsweise aus 275 A Schnitte guter Qualität mit 200 cm/min Schnitt-Messing, befestigt. ' geschwindigkeit durchgeführt und Brennschnitte er-

Zwischen dem Elektrodeneinsatz 14 und dem· In- 30 gaben. 300 cm/min mit beträchtlichen Abschrägungen, neren der Düse befindet sich eine ringförmige Gas- Verschiedene Schnitte wurden an 1,27 cm dickem kammer 26. Gas wird durch einen Einlaß 28 in einen ^zölligem) nichtrostendem Stahl durchgeführt; rechtringförmigen Kanal 30 zwischen dem Körper 10 und eckige Schnitte hoher Qualität ergaben sich bei der Überwurfkappe 24 zugeführt, von dem aus es 200 cm/min, aber sie hatten rauhe Oberflächen,
tangential in die Kammer 26 durch die hierzu ebenfalls 35 Bei Testen schnitt die folgende Mehrlochanordnung tangentiale Einlaßöffnung eintritt. -. am besten ab:

Die Oberflächen des Bodens des Einsatzes 14 . ; und der Innenseite der Düse 22 sind im Abstand zu-

einander angeordnet und bilden einen konischen _Halslänge 0,63 cm (V* Zoll)

Durchtritt oder eine Lichtbogenkammer 34, die zu 40
einer verengten Durchtrittsöffnung 36 führt. Zwischen

der Außenseite der Düse 22 und der Innenseite der Durchmesser des Mittellochs 0,31 cm

Überwurfkappe 24 befindet sich zwecks Kühlung n/_a Zoll)
ein Ringraum 38.

Der Boden der Düse weist eine Mehrzahl von 45 _ .

Löchern 40 auf, die im wesentlichen die mittlere ver- ^{Zahl der} umgebenden Locher 10

engte Durchtrittsöffnung 36 umgeben.

Die im Detail in den F i g. 2 und 3 gezeigte Düse Durchmesser der umgebenden Löcher 0,098 cm

weist einen Napf auf mit einer mittleren Büchse 42 /n «3« 7 ji\

innerhalb einer zylindrischen Seitenwandung und 50 '
einem konischen Boden 44 an der Grundfläche. Die

Seitenwand hat eine ringförmige Nut 46, die den Ümgebungslochkreisdurchmesser 0,94 cm

Ringraum 38 zwischen oberen und unteren Flanschen (3/. χ,όΆ)
48 und 50 bildet, die zur Ausbildung von Sitzen für
hitzeunempfindliches Dichtmaterial, wie Silikondicht- 55
ringe 52, abgeschrägt sind.

Die Löcher 40 sind vorzugsweise von der Außen- Schneidversuche mit einem Lichtbogenbrenner, der

seite her durch den konischen Boden 44 gebohrt, eine Zirkon-Einsatzkathode und einen Mehrlochgas-

und es sind vorzugsweise zwischen acht und sechzehn austritt hatte, ergaben die der folgenden Tabelle zu an der Zahl, und sie sind im wesentUehen im gleichen 60 entnehmenden Optimalbedingungen für 2,5 cm dickes

Abstand voneinander angeordnet und beträchtlich (einzölliges) Material.

kleiner als die verengte Öffnung 36. Die Löcher 40 . Bei den oben beschriebenen Versuchen wurde das

sind vorzugsweise genügend licht aneinander an- Lichtbogengas tangential mit Schallgeschwindigkeit

geordnet, so daß sich ein im wesentlichen ringförmiger eingeführt; vergleichsweise wurden Versuche mit Gasstrom ausbildet, der das aus der verengten Öff- 65 radialem Gaseinlaß durchgeführt, die geringere Schnitt-

nung 36 austretende Plasma umgibt. geschwindigkeiten, schlechtere Schnittqualität und

Das durch die Einlaßöffnung 28, den ringförmigen größere Abnutzung des Zirkon-Elektrodeneinsatzes

Gaskanal 30 und die ringförmige Gaskammer 26 ein- ergaben.

Metall*	Lichtbogen gas	Gas geschwindig keit m³/h	Schnitt geschwindig keit cm/min	Strom A	Spannung V	Kammer druck kg/cm²	Bemerkungen
CS	O₂	8,4	100	230	130	1,4	sehr guter Schnitt
CS	O₂	14,0	200	380	130	2,1
SS	N₂ H₂	8,4 2,8	150	330	160	1,9	sehr guter Schnitt außer ge ringfügiger Unsauberkeit
SS	O₂	8,4	150	330	130	2,1	guter Schnitt außer rauher Oberfläche
AI	O₂	8,4	175	330	130	1,7	guter Schnitt

* CS = Kohlenstoffstahl,
SS = nichtrostender Stahl,
Al = Aluminium.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtbogenplasma-Brenner mit einem zusätzlichen Gas-Hüllstrom um den zentralen Plasmastrahl, insbesondere zum Schneiden, Schweißen und Schälen, dadurchgekennzeicb.net, daß die verengte Auslaßöflfnung (36) der Düse (22) von einer Mehrzahl ringförmig angeordneter Gasdurchlässe (40) konzentrisch umgeben ist, die .mit dem Gasraum (34) innerhalb der Düse in Verbindung stehen.

2. Lichtbogenplasma-Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (22) eine ringförmige Gaskammer (30) aufweist, die einerseits mit der Gaszuführung (28) und andererseits über einen oder mehrere tangentiale Kanäle (32) mit dem Ringraum (26) zwischen der Innenwand der Düse (22) und der Stabelektrode (12) verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 1 070 308;
USA.-Patentschriften Nr. 2 859 328, 2 887 562,
922 024, 3 028 314.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen