DE2429932A1 - Verfahren und einrichtung zur hauptlichtbogenerregung zwischen der elektrode eines plasmabrenners und einem werkstueck - Google Patents

Description

• VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR HAUPTLICHTBOGEN-ERREGUNG ZWISCHEN DER ELEKTRODE EI.rES PLASMABRENNERS UND EINEM WERKSTÜCK Die Erfindung bezieht sich auf die Bearbeitung von elektrisch leitenden Werkstoffen mit Plasma und betrifft insbesondere Verfahren sowie Einrichtungen zur Erregung des Rauptlichtbogens zwischen der Plasmatronelektrode (Elek-:trode des Plasmabrenners) und einem Werkstück.
• Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Plasmabearbeitung von elektrisch leitenden Werkstoffen in plasmabildenden Oxydationsmedien unter Benutzung von auf der Basis von Zirkonium und Hafnium hergestellten Elektroden, beispielsweise beim manuellen Luft-Plasmaschneiden von Metallen mittels eines luftgekühlten Plasmatrons.
• Außerdem kann die Erfindung bei der Plasmabearbeitung von elektrisch leitenden Werkstoffen in verschiedenen chemisch aktiven plasmabildenden Medien, z*B. in Kohlenwasserfl stoffen Y in den bei Kokserzeugung, Metallschmelzung u.ä. entstehenden Gasen benutzt werden.
• Weitgehend bekannt ist ein Verfahren zur Hauptlichtbogenerregung zwischen der Plasmatronelektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück.
• Bei dem bekannten Verfahren zerfällt die Hauptlichtbogenzündung in drei Stadien.
• Anfangs wird zwischen der Plasmatronelektrode und der Plasmatrondüse mittels eines Oszillators eine Hochfrequenz Hochspannungsentladung erzeugt, die einen Hilfsbogen erregt, dessen Brennflecke auf der Elektrode und der Düse liegen, wobei aus dem Düsenkanal während der ganzen Hilfsbogen-Brenndauer ionisiertes Gas herausströmt und eine sichtbare Hilfsbogenfackel bildet. Wenn daraufhin die Fackel die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes erreicht und das zwischen der Plasmatronelektrode und dem Werkstück gebildete Potential zum Lichtbogenziehen ausreicht, entsteht zwischen der Plasmatronelektrode und dem Werkstück der Hauptlichtbogen.
• Der beschriebene Vorgang wird mittels einer bekannten Einrichtung mit einer Gleichstromquelle realisiert, bei der eiPol an die Elektrode des mit einer von der Elektrode isolierten Düse und mit Mitteln zur Zuführung eines plasmabildenden Gases ausgestatteten Plasmatrons angeschlossen ist und der andere Pol über einen Hauptbogen-Stromgeber mit dem zu bearbeitenden Werkstück verbunden ist. Außerdem weist die Plasmatrondüse in der bekannten Einrichtung eine Verbindung über einen in Reihe geschalteten Widerstand und einen Schalter auf, die den Hilfsbogen-Stromkreis bilden. Zwischen der Buse und der Elektrode des Plasmatrons liegt auch ein Oszillator.
• Die bekannte Einrichtung bewirkt eine sichere Zündung des Hilfsbogens, der kontinuierlich zwischen der PlasmatroneleBrode und Düse solange brennt, bis der Hauptlichtbogen gezogen wird. Wenn dabei ein atomares Gas als plasmabildendes Medium benutzt wird, erfolge keine thermische Düsenzerstörung auch bei sehr großen Stromwerten des eine langere Zeit brennenden Hilfsbogens. Aus diesem Grunde fand die bekannte Einrichtung eine weitgehende Anwendung in den Fällen, wenn als plasmabilderides Medium ein Gemisch von atomaren Gasen, z.B. von Argonbenutzt wird.
• Soll aber mit Molekulargasen als plasmabildendes Medium gearbeitet werden, so kann diese Eirzichtung nicht angewandt werden, da im Falle der Benutzung von Molekulargasen bei Einrichtungen zur Plasmabearbeitung mit offenem Lichtbogen und mit prinzipbedingt begrenztem Düsenkanal der Hilfsbogen-Brennfleck auf die Stirnseite der Düse rückt, wobei eine rapide Düsenerosion erfolgt und die Düse ausfällt. Außerdem soll der Hilfsbogenstrom in diesem Falle praktisch nicht unter 60...80 A liegen, da die Versuche, diesen Strom herabzusetzen zum steilen Anstieg der Leerlaufspannung der Spei sequelle führen und hierbei eine erhöhte Gefahr für das Be dienungspersonal entsteht. Das letztere betrifft vor allem die manuelle Werkstoffbearbeitung mit Plasma. Andererseits ruft der erwähnte Stromwert des in der Atmosphäre der Molekulargase kontinuierlich brennenden Hilfsbogens eine schnelle thermische Zerstörung der wassergekühlten Düse und fast eine augenblickliche Zerstörung der gasgekühlten Düse hervor.
• Bekannt ist auch eine Einrichtung zum Schweißen und Schneiden mit einem Plasmastrahl (vgl. unsere Anmeldung in den USA Nr. 174027 vom 16,3.1965 oder das BRD-Patent Nr. 1236692 vom 16.3.1967), in der der Gleichstrom-Hauptlicht bogen zwischen der Plasmatronelektrode und dem Werkstück durch wiederholte kurzzeitige Zündung eines Hilfsbogens erregt.
• wird, der für die Zeit des Rauptbogenbrennens abgeschaltet wird. Zu diesem Zweck dient ein an sich bekanntes RC-Glied oder ein im Stromkreis des Hilfsbogens liegendes Kommutierungsrelais (beschrieben in der Zeitschrift "Elektroproeyschlennost i Priborostrojenie", 1960, Nr. 22, Beitrag von D'G. Bychowski und J.A. Bogorodski "Elektrische Einrichtungen einer universellen Anlage für elektrisches Gasschneiden von Metallen").
• Dieses Verfahren und die zu dessen Realisierung dienende Einrichtung geben die Mölichkeit, die thermische Düsenerosion zu eliminieren und eine sichere Hauptbogenziindung beim Betrieb in einer atomaren Gasatmosphäre zu erreichen, wobei der Abstand des zu bearbeitenden Werkstückes vom Plasmatron in diesem Fall 5 bis 10 cm beträgt.
• Die durchgeführten Untersuchungen haben aber ergeben, daß diese Einrichtung zur Hauptlichtbogenerregung bei Benutzung von Nolekulargasen und ihren Mischungen zur Plasmabildung erstens kein sicheres Schließen des aus der Plasmatronelektrode und dem Werkstück beim Stromfluß im Hilfsbogenkreis gebildeten Stromkreises mit Hilfe der ionisierten Gasströmung(der Hilfsbogenfackel) gewährleisten kann, und daß zweitens, was am wichtigsten ist, die mit kleinem Tastverhaltnis im Hilfsbogen-Stromkreis folgenden einzelnen Stromimpulse die Erwärmung der den iiichtbogen-Brennfleck tragenden aktiven Erlektrodenfläche bis zu Betrieb.stemperaturen nicht bewirken können.
• Somit macht die Verwendung von chemisch aktiven IvIoleku.largasen und ihren Mischungen als plasmabildendes Medium praktisch alle Vorteile der Anwendung eines periodisch unterbrochenen Hilfsbogens für die Hauptbogenerregung zunichte, da -das bekannte Verfahren und die zu dessen Verwirklichung dienende Einrichtung in diesem Falle keine sichere Haq$-bogenzündung gewährleisten können.
• Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der erwähnten Mängel.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erregung des Hauptlichtbogens zu entwickeln, die eine zuverlässige Zündung des Hauptlichtbogens in Molekulargasen bei Benutzung von starken Gasströmungen durch Bildung einer ununterbrochen brennenden und visuell kontrollierbaren Fackel eines hochintensiven Hilfsbogens ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verfahren zur Erregung des Hauptlichtbogens zwischen der Plasmatronelektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück, bei dem zwischen der Plasmatronelektrode und der Plasmatrondüse mit Hilfe einer Hochfrequenzentladung ein unstetig brennender Hilfsbogen erregt wird, dessen Fackel unter der Wirkung des dem Plasmatron zugefUhrten Gases die Strecke zwischen der Plasmatronelektrode und dem Werks W dt kurzschließt und dadurch den Stromkreis des Hauptlichtbogens bildet, die Amplitude des Hilfsbogenstromes erfindungsgemäß wenigstens gleich dem Sollwert des Hauptlichtbogenstromes gewählt wird und die Frequenz sowie das Tastverhältnis des Stromes so eingestellt werden, daß für die ganze Brenndauer des Hilfsbogens eine visuell kontrollierbare stetig brennende Kilfsbogenfackel gebildet wird.
• Bei diesem Verfahren zur Erregung des Hauptlichtbogens zwischen der Plasmatronelektrode und dem Werkstück kann die Amplitude des Hilfsbogenstromes zweckmäßigerweise in den Grenz,en i # 1 # 31 gewählt werden,- wobei i die Stromamplitude des Hilfsbogens und I den Stromsollwert des Hauptlichtbogens bedeuten. Die Frequenz und das Tastverhältnis des Stromes können dabei so eingestellt werden, daß im Stromkreis des Hilfsbogens während seiner ganzen Brenndauer ein mittlerer Strom von 5...10 A fließt.
• Beim Verfahren zur Erregung des Hauptlichtbogens kann es außerdem zweckmäßig sein, die Amplitude des Hilfsbogenstromes in den Grenzen i = 0,81: zu wählen. Hierbei ist i die Stromamplitude des Rilfsbogens und I der Stromsollwert des Hauptlichtbogens.
• Weiterhin ist beim Verfahren zur Erregung des Hauptlichtbogens die Stromamplitude des Hilfsbogens gleich 600 A zu wählen.
• In der zur Realisierung dieses Verfahrens bestimmten Einrichtung, in der die Plasmatronelektrode an einen Pol der Speisequelle angeschlossen ist, die einen zwischen der Plasmatronelektrode und der Plasmatrondüse eingeschalteten Oszillator enthält, und der andere Pol der Speisequelle über eine Kommutierungsmittel an die Düse geschaltet ist, das zur stromkommutierung im Kreis Elektrode-Düse dient und in diesem Kreis einen intermittierenden Strom zur Bildung des Hauptlichtbogens zwischen der Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück liefert, während dem Raum zwischen der Elektrode und der Düse plasmabildendes Gas zugeführt wird, sind die Düse und das zu bearbeitende Werkstück erfindungsgemäß über das erwähnte Kommutierungsmittel und eine damit in Reihe liegende Induktivität miteinander verbunden.
• Zweckmäßigerweise kann als Kommutierungsmittel ein bekanntes RC-Glied angewandt werden und zwischen der Düse und dem RC-Glied ein Ventil so eingeschaltet werden, daß es den Hilfsbogenstrom durchläßt.
• Außerdem kann der Widerstand R1 im R1C-Glied veränderlich ausgeführt und mit einem Stellglied zur Änderung seiner Größe verbunden werden, an welches ein Rauptlichtbogen-Stromgeber angeschlossen wird, wobei zweckmäßig die kleinste Größe des Widerstandes R1 beim Brennen des Hilfsbogens und der größte Widerstandswert beim Brennen des Hauptlichtbogens eingestellt werden.
• In Reihe mit dem Widerstand R des RC-Gliedes kann auch ein Scnalter eingefügt werden, der beim Brennen des Hilfsbogens geschlossen und beim Brennen des Hauptlichtbogens geöffnet wird.
• Gegenüber den bekannten Verfahren und Einrichtungen ergeben das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Einrichtung eine Reihe von Vorteilen, und zwar: - sichere Zündung des Hauptlichtbogens in der Atmosphäre von Molekulargasen oder ihrer Mischungen; - Bildung einer visuell kontrollierbaren, stetig brennenden Hilfsbogenfackel mit hoher Intena ät, wobei eine zuverlässige Zündung des Hauptlichtbogens in der Atmosphäre von chemisch aktiven Gasen bei starken Gasströmungen erreicht wird - die Möglichkeit, Gaskühlung für die ganze Plasmatroneinrichtung -zu verwenden und infolgedessen Plasmatroneinrichtungen mit kleineren Abmessungen für die manuelle Luft-Plasmabearbeitung zu schaffen; - niedrigere Kosten bei der Herstellung der Einrichtung zur Zündung des Hauptlichtbogens infolge geringerer Abmessungen, kleineren Gewichts und niedrigerer Herstellungskosten der Schaltung zur Hilfsbogenerregung; - die Möglichkeit der Anwendung von modernen thyristorbestückten Speisequellen für die Plasmabearbeitung in der Atmosphäre von Molekulargasen oder ihren Mischungen; - Vermeidung der doppelten Lichtbogenbildung bei zufälligen sprunghaften Änderungen von elektrischen oder aerodynamischen Bedingungen für das Brennen des Hauptlichtbogens einer durch Einschaltung#ertsprechend gepolten Diode in den Hilfsbogen-Stromkreis.
• Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen Fig. 1 elektrisches Schaltbild für die Realisierung des bekannten Verfahrens zur Hauptliohtbogen-Erregung mit Hilfe eines stetig brennenden Hilfsbogens; Fig. 2 schematische Darstellung des Vorganges der I-lauptlichtbogen-Zündung in bekannten Einrichtungen, und zwar a) Stadium der Bildung eines Hochfrequenz-Lichtbogens; b) Stadium des Hilfsbogen- und des Hauptbogenbrennens; Fig. 3 elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erregung des Hauptlichtbogens, in der zwischen der Düse und dem Werkstück serienmäßig eine Induktivität und ein als bekanntes RC-Glied realisiertes Kommutierungsmittel liegen; Fig. 4 elektrisches Schaltbild der Einrichtung zur Erregung des Hauptlichtbogens gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren mit veränderlichem Widerstand im RlG-Glied;.
• Fig. 5 elektrisches Schaltbild der Einrichtung zur Erregung des Hauptlichtbogens gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren mit einem im RC-Glied in Reihe mit dem Widerstand liegenden Schalter; Fig. 6 elektrisches Schaltbild der Einrichtung zur Erregung des Rauptlichtbogens gemäß der Erfindung mit einem zwischen der Düse und dem RC-Glied eingeschalteten Ventil.
• Zur besseren Anschaulichkeit wird anfangs der Vorgang der Hau-ætlichtbogen-Erregung beschrieben, der mittels der bekannten Einrichtung nach Fig0 1 realisiert wird. Diese Einrichtung weist eine von der Düse 3 isolierte Elektrode 1 des Plasmat.rons 2 auf, die an den Minuspol bei der Gleich strom-Speisequelle 4 angeschlossen ist, deren Pluspol an ein zu bearbeitendes Werkstück 5 über einen Hauptbogen-Stromgeber 7 geschaltet ist. Außerdem liegt zwischen der Plasmatronelektrode 1 und der Düse 3 ein Oszillator 6. An die Plasmatrondüse 3 sind ein Widerstand und ein damit in Reihe geschaltetes Kommutierungsmittel 8 angeschlossen, die den Stromkreis des Hilfsbogens bilden.
• Im ersten Stadium (Fig. 2 a) wird zwischen der Plasmatronelektrode 1 und der Düse ein Hochfrequenz-Lichtbogen 9 gezogen, der durch eine Hochspannungs-Hochfrequenzentladung des Oszillators 6 (Fig. 1) angeregt wird, wobei ein elektrisch leitender Kanal entsteht, der den Stromkreis des Hilfsbogens 10 (Fig. 2 b) schließt. Die Leistung des Hochfrequenzbogens 9 wird so gewählt, daß bei seinem Brennen in beliebigen plasmabildenden Medien während einer beliebig langen Zeit weder die Düse noch die Elektrode 1 zerstört werden.
• D.-s zweite Stadium, in dem der Hilfsbogen 10 brennt, wird durch Fig. 2 b veranschaulicht.
• Wenn dabei als plasmabildende Medien Molekularga.se oder ihre Mischungen verwendet werden, führt das kontinuierliche Brennen des Hilfsbogens 10 zur bedeutenden thermischen Erosion der wassergekühlten Düse 7 und praktisch zur augenblick lichen Zerstörung der gasgekühlten Düse 3. So darf z.B. bei Einrichtungen für die manuelle Luft-Plasmabearbeitung mit Luftkühlung aller sich erwärmenden Teile des Plasmatrons 2 die zulässige Brenndauer des Hilfsbogens bei Strömen von 80...100 A nicht über 2.10 3 sec betragen. Eine derartige Ansprechzeit ist bei modernen Starkstrom-Kontaktschaltungen unerreichbar. Andererseits führen die Versuche, den Arbeitsstrom des Hilfsbogens 10 herabzusetzen, zum bedeutenden Anstieg der Leerlaufspannung der Speisequelle 4, wobei eine erhöhte Gefahr für das Bedienungspersonal entsteht und zasätzliche wirtschaftlich unberechtigte Aufwendungen für die Herstellung der Einrichtungen notwendig werden.
• Eine zuverlässige Zündung das Hauptlichtbogens wird aber letzten Endes nicht durch die Stromstärke des kontinuierlich brennenden Hilfsbogens 10, sondern durch Parameter seiner Fackel bestimmt, die den Raum zwischen der Elektrode 1 des 2 Plasmatrons und dem Werkstück 5 unter der Wirkung des dem Plasmatron zugeführten Gases 11 kurzschließt. Dieser Umstand wurde zur Voraussetzung der durchgeführten Untersuchungen, die zur Entwicklung des vorgeschlagenen Verfahrens und der Einrichtungen für dessen Realisierung führten.
• Fig. 9 zeigt ein elektrisches Schaltbild der Binrlchtung zur Erregung des Hauptlichtbogens mit einem als RC-Glied realisierten Kommutierungsmittel und einer Induktivität, die zwischen der Düse und dem zu bearbeitenden Werkstück 13 in Reihe geschaltet sind.
• In der Schaltung ist vor allem ein Stromkreis zur Erregung von Stromimpulsen des Hilfsbogens vorgesehen, zu dem ein Oszillator 14, ein Widerstand R und ein parallelgeschalteter Kondensator C gehören. Die Kennwerte dieses RO-Gliedes werden so gewählt, daß die Frequenz und das Tastverhältnis der Hilfsbogen-Stromimpulse für die Bildung einer visuell kontrollierbaren, stetig brennenden Hil fsbogenfackel ausreichen. Zweitens ist in der Schaltung ein Stromkreis für die Speisung des Hauptlichtbogens vorgesehen, der aus einer thyristorbestückten Gleichstrom-Speisequelle 15 und einer Induktivität L besteht. Die letztere ist angewandt worden, weil eine thyristorbestückte Gleichrichterschaltung im allgemeinen hochfrequente Oberwellen erzeugt, deren Glättung die Aufgabe dieser Induktivität L ist.
• Die Zündung des Hauptlichtbogens erfolgt folgenderweise. Die vom Oszillator 14 erzeugte Hochspannungs-Hochfre quenz-Entladung durchschlägt die Strecke zwischen der Elektrode 16 und der Düse 120 Der dabei entsteh4e,Hochfrequenz-Lichtbogen springt aber nicht von der Elektrode 16 zum Werkstück 13 hinüber, da die Strecke Elektrode 16 - Werkstück 13 viel länger als die Strecke zwischen der Elektrode 16 und der Düse 12 ist. Der Hochfrequenz-Lichtbogen ionisiert nur das Gas im Inneren des Plasmatrons und bildet einen elektrisch leitenden Kanal zum Schließen des HilfsbogenStromkreises.
• In diesem Stromkreis folgen nun die Stromimpulse, deren Frequenz und Tastverhältnis von den Parametern des RC-Gliedes abhängen. Die Stromimpulse rufen die Bildung einer visuell kontrollierbaren und stetig brennenden Hilfsbogenfackel hervor, die den Stromkreis des Hauptlichtbogens schließt. Nach der Zündung des Hauptlichtbogens wird der Kondensator C vollständig aufgeladen, und den Widerstand R durchfließt der Reststrom, dessen Größe durch den Widerstandswert vorgegeben ist.
• Zur Herabsetzung dieses Stromes dient die in Fig. 4 dargestellte Schaltung. In dieser Schaltung ist der Widerstand R1 im R1C-Glied veränderlich ausgeführt, liegt im Hilfsbogen-Stromkreis parallel zum Kondensator C und ist mit einem Stellglied 17 verbunden, an welches ein Hauptlichtbogen-Stroingeber 18 so angeschlossen ist, daß der Widerstand h beim Brennen des Hilfsbogens den kleinsten Wert und beim Brennen de,s Hauptlichtbogens den größten Wert hat. Dadurch wird der Reststrom beim Brennen des Hauptlichtbogens bis auf die Größe begrenzt, bei der die doppelte Lichtbogenbildung bei stabilem Brennen des Hauptlichtbogens praktisch unmöglich ist. Andererseits ergibt der geringe Wert des veränderlichen Widerstandes Rl beim Brennen des Hilfsbogens die erforderlichen Parameter des C-Gliedes für die Erhaltung von Hilfsbogen-Stromimpulsen mit einer Frequenz und einem Tastverhältnis, die für die Bildung einer visuell kontrollierbaren, kontinuierlich brennenden Hilfsbogenfackel ausreichend sind. Im übrigen ist diese Schaltung ähnlich dem in Fig. 3 dargestellten Schaltbild aufgebaut.
• Ein Grenzfall des beschriebenen Vorganges ist die Unterbrechung des Reststromkreises beim Brennen des Hauptlichtbogens. Dieser Fall wird durch die in Pig. 5 gezeigte Schaltung realisiert, in der in Reihe mit dem Widerstand R des RC-Gliedes ein Schalter 19 liegt, welcher beim Brennen des Hilfsbogens geschlossen und beim Brennen des Hauptlichbbogens geöffnet wird.
• Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung verhindert die doppelte Lichtbogenbildung nicht nur beim stabilen Brennen des Hauptlichtbogens, sondern auch bei zufälligen sprunghaften Änderungen dieser Betriebsart. Dabei ist das Ventil 20 in den Hilfsbogen-Stromkreis zwischen der Düse 12 und dem RC-Glied so eingeschaltet, daß es den Strom beim Brennen des Hilfsbogens durchläßt.
• Da der Entladestrom des Kondensators C, der bei der doppelten Lichtbogenbildung die Strecke zwischen der Elektrode 16 und der Düse 12 durchfließt, eine dem Stromfluß des Hilfsbogens entgegengesetzte Richtung aufweist, schließt das tentil 20 die doppelte Lichtbogenbildung bei zufälligen sprunghaften Betrie bartänderungen vollkommen aus.
• Die visuell kontrollierbare, stetig brennende Rilfsbogenfackel, die zur zuverlässigen Überbrückung der Strecke zwisehen der Plasmatronelektrode 16 und dem Werkstück 13 zwecks stabiler Erregung des Hauptlichtbogens notwendig ist, wird somit beim erfindungsgemäßen Verfahren und mittels der die ses Verfahren realisierenden Einriehtungen dadurch gewährleistet, daß die Amplitude des Hilfsbogenstromes wenigstens ungefähr gleich dem Stromsollwert des Hauptlichtbogens gewählt wird, und daß die Frequenz sowie das Tastverhältnis so eingestellt werden, daß der mittlere Strom im Hilfsbogen kreis während der ganzen Rilfsbogen-Brenndauer 3 bis 10 A beträgt. Dies ist außerdem noch dadurch beding, daß die Intensität der visuell kontrollierbaren, stetig brennenden Hilfsbogenfackel von der Impuisleistung des Hilfsbogenstromes abhängt. Diese Impulsleistung ist ihrerseits desto größer, je höher die Spannung am Entladekondensator C ist, die durch die Differenz der Leerlaufspannung der Speisequelle 15 und der Spannung des brennenden llilfsbogens bestimmt wird.
• Dadurch ist gerade die Wahl der Amplitude des Hilfsbogenstromes in den Grenzen i # 1 # 31 bedingt, weil beim Hilfsbogenbrennen in der Atmosphäre von Molekulargasen oder ihrer Mischungen die Hilfsbogen-Brennspannung nahe der Leerlaufspannung der Speisequelie 15 liegt. So beträgt die Leerlaufspannung der Speisequelle l5 bei manueller iiuft-Plasma-Bearbeitung 180 V, und die Spannung am Hilfsbogen liegt bet 120...140 V.
• Andererseits muß die aktive Oberfläche der Elektrode für ihren Normalbetrieb in chemisch aktiven plasmabildenden Gasen oder in ihren Mischungen bis zu Temperaturen von 2000...2500°C erwärmt werden (Curtis C.E. a.O. J.Amer.Ceram.
• Soc. 1954, volO 37, p. 464 - 465); Dadurch ist die Wahl eines Tastverhältnisses der Hilfsbogen-Stromimpulse bedingt, bei dem während der ganzen Hilfsbogen-Brenndauer ein mittlerer Strom von 3o..10 A fließt, der fiir die erforderliche Erwärmung der aktiven Oberfläche der Elektrode 16 mit Berücksichtigung ihrer geometrischen Abmessungen, ihrer Masse sowie der Abmessungen und Kühlungsverhaltnisse des Elektrodenhalters ausreichend ist, Besonders wichtig ist die Einhaltung der erwähnten Parameter bei der manuellen Buft-Plasma-Bearbeitung unter Verwendung eines Plasmatrons, bei dem alle sich erwärmenden Teile mit Gas gekühlt werden, da der Summen-Luftverbrauch dabei 60 bis 80 m3/h erreicht.
• Die beschriebene Einrichtung wurde beim manuellen Luft-Plasma-Schneiden von Stählen und Buntmetallen erprobt, Als Speisequelle 15 wurde dabei ein Thyristorgleichrichter mit einer Beerlaufspannung von 180 V verwendet0 Geschnitten wurde Stahl mit der Dicke von 1 bis 40 mm und Kupfer von der Dicke 1 bis 30 mmc Im Stromkreis des Hilfsbogens lagen ein Widerstand R von 16 Ohm und ein parallelgeschalteter Kondensator C von 3500 µF.
• In Reihe mit dem erwähnten RC-Glied war eine Induktivität L von 1.10-3H eingeschaltet0 Dabei ergaben sich folgende Parameter der Stromimpulse im Hilfsbogenkreis: Amplitude der eilfsbogen-Stromimpulse i = 600 A Länge eines Impulses 1...2.10 3 sec Frequenz 22...24 Hz Das Tastverhältnis betrug in diesem Falle 45...50.
• Diese im Hilfsbogerikreis wirksamen Stromimpulse ermöglichen die Bildung einer visuell kontrollierbaren, kontinuierlich brennenden Hilfsbogenfackel, die den Stromkreis des Hauptlichtbogens im Raum zwischen der Plasmatronelektrode 16 und dem zu bearbeitenden Werkstück 13 schließt.
• Eine stabile Hauptlichtbogenerregung wurde bei Abständen des Werkstückes 13 vom Düsenrand von 5...20 mm erreicht, was den Entfernungen des Werkstückes 13 von der Elektrode 16 von 20 bis 35 mm entspricht.
• Bei einzelnen Versuchen wurden Entfernungen bis 65...70 mm erreicht. Der eingestellte Hauptlichtbogenstrom betrug 180...240 A bei Bogenspannungen von 130...160 V.
• Die Versuche haben ergeben, daß die beschriebene Einrichtung zur Erregung des Hauptlichtbogens sowohl für die negative, als auch für die positive Polung der Elektrode 16 verwendet werden kann.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Erregung des Hauptlichtbogens zwischen ner Plasmatronelektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück, bei dem zwischen der Plasmatronelektrode und der Plasm@atrondüse mit Hilfe einer Hochfrequenzentladung ein stetig brennender Hilfsbogen erregt wird, dessen Fackel unter der Wirkung des dem Plasmatron zugeführten Gases die Strecke zwischen der Plasmatronelektrode und dem Werkstück schließt und dadurch den Stromkreis des Hauptlichtbogens bildet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Amplitude des Hilfsbogenstromes wenigstens ungefähr gleich dem Sollwert des Hauptlichtbogenstromes gewahlt wird, und die Frequenz sowie das Tastverhältnis des Stromes so eingestellt werden, daß für die ganze Brenndauer des Hilfsbogens eine visuell kontrollierbare, stetig brennende Hilfsbogenfackel gebildet wird.

2. Verfahren zur Erregung des Hauptllchtbogens nach Ansprunh 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stromamplitude des Rilfsvogens (10) in den Grenzen i 1 -: 3T gewählt wird, wobei i die Amplitude des Hilfsbogenstromes und I den Stromsollwert des Hauptlichtbogens bedeuten und die Frequenz sowie das Tastverhältnis des Stromes so eingestellt werden, daß im Stromkreis des Rilfsbogens während seiner ganzen Brenndauer ein mittlerer Strom von 3 # 10 A fließt.

3. Verfahren zur Erregung des Hauptlichtbogens nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stromampl@ude des Hilfsbogens (10) in den Grenzen i = 0,8I 5 3I gewählt wird, wobei i die Amplitude des Hilfsbogenstromes und I den Stromsollwert des Hauptlichtbogens bedeuten.

4. Verfahren zur Erregung des Hauptlichtbogens nach Ansprechen 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Stromamplitude des Hilfsbogens (10) 600: A beträgt.

5. Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 4, in der die Plasmatronelektrode an einen Pol einer Speisequelle angeschlossen ist, die einen zwischen der Plasmatronelektrode und der Plasmatrondtise eingeschalteten oszillator enthält, und der andere Pol der Speisequelle an die Düse über ein Kommutierungsmittel geschaltet ist, das zur Stromkommutierung im Kreis Elektrode - Düse dient und in diesem Kreis einen intermittierenden Strom zur Bildung des Hauptlichtbogens zwischen der Elektrode und den zu bearbeitenden Werkstück liefert, während dem Raum zwischen der Elektrode und der Düse plasmabildendes Gas zugeführt wird, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t@ daß die Düse (12) und das su bearbeitende Werkstück (13) tiber das erwähnte Kommutierungsmittel und eine damit in Reihe liegende Indnktivitat (L) miteinander verbunden sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Anwendung eines an sich bekannten RC-Gliedes als KommutierungsmittelO

7. Einrichtung nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Düse (12) und dem RC-Glied ein Ventil (20) so eingeschaltet ist, daß es den Hilfsbogenstrom durchläßt.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand im R10-Glied veränderlich ausgeführt und mit einem Stellglied (17) zur Änderung seiner Größe verbunden ist, an welches ein Hauptlichtbogen-Stromgeber (18) angeschlossen ist, wobei die kleinste Größe des Widerstandes beim Brennen des Hilfsbogens und der größte Widerstandswert beim Brennen des Hauptlichtbogens eingestellt werden0

9. Einrichtung nach Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im RC-Glied in Reihe mit dem Widerstand (R) ein Schalter (19) liegt, der beim Brennen des Hilfsbogens geschlossen und beim Brennen des Hauptlichtbogens geöffnet wird.