DE2544402C2 - Plasmaschneidbrenner - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaschneldbrenner mit Wirbelzufuhr des plasmabildenden Gases in
eine Formierkammer, begrenzt einerseits durch eine im wesentlichen zylindrische Elektrode von einem Durchmesser,
dessen Größe entsprechend dem Lichtbogenstrom gewählt wird, mit einem hochschmelzenden Einsatz
und einer flachen Stirnseite, die mit der Seltenfläche
der Elektrode durch einen Abschnitt verbunden ist, welcher einen Teil der Außenfläche eines Toms darstellt,
und andererseits durch eine Im Abstand davon angeordnete Düse mit einem der flachen Stirnseite der Elektrode
zugewandten kegelförmigen Abschnitt und einem sich daran über eine torische Fläche abgerundet anschließenden
zylindrischen Abschnitt, dessen Länge entsprechend dem Lichtbogenstrom gewählt Ist, wobei der Abstand
zwischen Elektrode und Düse entsprechend dem für den vorgegebenen Durchsatz an plasmabildendem Gas erforderlichen
Durchgangsquerschnitt bemessen ist.
Beim Einsatz derartiger Plasmaschneidbrenner hat sich, wie auch schon bei den früheren aus der DE-OS
22 27 684 bekannten Plasmaschneidbrennern mit einer Elektrode, deren Stirnseite kugelförmig ausgebildet ist,
sowie bei den aus der DD-PS 83 686 und der DT-Z »Beiträge aus der Plasmaphysik«, Band 11, 1971, Seiten 13 bis
21, bekannten Schneidbrennern, bei denen kegelförmige Elektroden eingesetzt sind, ergeben, daß es infolge der
Ausbildung eines doppelten Lichtbogens bzw. einer Wärmeüberlastung zu einer relativ kurzen Standzelt kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmaschneidbrenner
zu schaffen, bei dem durch die Wahl optimaler Abmessungen der Elektrode und der Düse eine
Formlerkammer gebildet Ist, welche eine hohe Arbeltsdauer
der Elektrode und der Düse gewährleistet.
Dies wird be! einem Plasmaschneidbrenner der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß der Durchmesser der flachen Stirnseite der Elektrode etwa das 0,4- bis 0,5fache des Durchmessers der Elekj
trode selbst beträgt, der Krümmungsradius der torischen Fläche der Düse etwa gleich der Länge ihres zylindrischen
Abschnittes ist und der Abstand der flachen Stirnseite der Elektrode von der Stirnseite der Düse etwa das
lSfache des Durchmessers der flachen Stirnseite der Elektrode beträgt.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen
Plasmaschneidbrenners und
Fig. 2 schematisch die geometrische Konfiguration der Formierkammer.
Der Plasmaschneidbrenner enthält eine Elektrode 1 (Fig. 1) mit einem hochschmelzenden Einsatz 2 und
einer Düse 3. Die Elektrode I ist in einem Elektrodenhalter 4 koaxial mit dem letzteren mit Hilfe einer Überwurfmutter
5 befestigt und mit dem Pol (in der Zeichnung nicht dargestellt) einer Speisequelle durch den Elektrodenhalter
4 verbunden. Die Düse 3 Ist an einem Düsenhalter 6 mit Hilfe einer Schraubenverbindung 7 befestigt.
Der Düsenhalter 6 ist mit dem Elektrodenhalter 4 durch ZwischenteMe 8 mittels einer Reihe von Schraubenverbindungen
9 verbunden und von dem letzteren durch ein Dielektrikum 10 elektrisch Isoliert. Der Düsenhalter 6 Ist
seinerseits mit dem anderen Pol der Stromquelle elektrisch verbunden.
Die Elektrode 1 ist als Hohlkörper mit einem Boden 11 ausgeführt. Die Innenfläche 12 des Bodens 11 ist in einer
Form ähnlich einem Paraboloid ausgeführt, mit einem Scheitel, der dem Inneren des Hohlraums 13 der Elektrode
1 zugekehrt Ist. Dieser Hohlraum 13 ist mit einem Zufuhrsystem (in der Zeichnung nicht dargestellt) für ein
Kühlmittel verbunden und dient für die unmittelbare Zuleitung des Kühlmittels an die Elektrode 1. Der hochschmelzende Einsatz 2, der aus Zirkonium, Hafnium
bzw. aus anderen hochschmelzenden Metallen hergestellt sein kann, Ist Im Boden 11 der Elektrode 1 In deren Axialrichtung
befestigt und grenzt mit dem einen Ende an die äußere Stirnfläche der Elektrode 1 an und tritt mit
dem anderen Ende in den Hohlraum 13 hinein. Dank dieser Anordnung befindet sich der hochschmelzende
Einsatz 2 im unmittelbaren Kontakt mit dem Kühlmittel, wodurch die Wärmeabfuhr vom Einsatz 2 während des
Brennens des Lichtbogens gesteigert wird. Für die Ableitung
des Kühlmittels von der Elektrode 1 Ist Im Hohlraum 13 der Elektrode koaxial mit ihr ein Rohr 14 angeordnet,
wobei zwischen der Inneren Seitenfläche der Elektrode 1 und der Außenfläche des Rohres 14 ein
Ringspal'; 15 vorgesehen 1st. Der genannte Ringspalt ist mit einem System (In der Zeichnung nicht dargestellt)
für die Ableitung des Kühlmittels vom Schneidbrenner verbunden.
Für die Wärmeabfuhr von der Düse 3 ist Im Düsenhalter
6 ein ringförmiger Hohlraum 16 vorgesehen, welcher ebenfalls mit dem System für die Zufuhr des Kühlmittels
verbunden ist. Die hermetische Abdichtung des Hohlraums 16 und des Ringspaltes 15, in welchen das Kühlmittel
fließt, wird In bekannter Welse mit Hilfe einer
Reihe von Ringdichtungen 17 erreicht.
Um eine Wirbelzufuhr des plasmabildenden Gases zu erzeugen, Ist im Schneidbrenner ein Wirbler 18 vorgesehen,
der ein mehrgängiges Schraubengewinde darstellt.
welches Kanäle bildet, die an der Außenfläche des Elekirodenhalters
verlaufen. Diese Kanäle sind von einer Seite mit dem System für die Zufuhr des plasmabildenden
Gases (in der Zeichnung nicht dargestellt) - und von der anderen Seite - mit einem Spalt 19 zwischen der
Elektrode 1 und der Düse 3 verbunden.
Die Elektrode 1 hat eine flache Stir:ueiie 20 (Fig. 2),
die verbunden ist mit der äußeren Seitenfläche 21 der Elektrode 1 durch einen Abschnitt 22, welcher einen Teil
der Außenfläche eines Torus (Krümmungsradius K') darstellt. Der Duichmesser der Elektrode 1 wird nach dem
Lichtbogenstrom gewählt, welcher seinerseits durch das vorgegebene technologische Schneidverfahren (abhängig
von der Metallari, dessen Dicke und der Schnittgeschwindigkeit) bestimmt wird.
Die innere Seitenfläche der Düse 3 hat zwei miteinander verbundene Abschnitte - einen zylindrischen
Abschnitt 23 mit dem Innendurchmesser J1. dessen
Länge gleichfalls nach dem Lichtbogenstrom gewählt wird und an die Stirnseite 24 der Düse 3 angrenzt, sowie
einen kegelförmigen Abschnitt 25, zugekehrt der flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1. Die Verbindung des zylindrischen
Abschnitts 23 mit dem kegelförmigen Abschnitt 25 stellt einen Teil der Innenfläche eines Toms dar.
Erfindungsgemäß ist der Durchmesser </ der flachen
Stirnseite 20 der Elektrode 1 im wesentlichen gleich dem 0,4- bis 0,5fachen des Durchmessers ü der Elektrode 1
selbst. Der Verbindungsradius K des zylindrischen Abschnitts 23 der Düse 3 mit deren kegelförmigem
Abschnitt 25 ist im wesentlichen gleich der Länge 1 des zylindrischen Abschnitts 23. Die angeführten Verhältnisse
ermöglichen die Bildung einer Formierkammer 26 von solchen geometrischen Abmessungen, welche maximal
mögliche Arbeitsdauer der Elektrode 1 und der Düse 3 bei sonst gleichen Bedingungen (Kühlsystem, Art und
Verbrauch des plasmabildenden Gases) im Vergleich zu den bekannten Schneidbrennern ähnlicher Art gewährleisten.
Bei einem Durchmesser der flachen Stirnseite 20 über dem 0,5fachen des Durchmessers der Elektrode 1 ist die
Konzentration des Wärmestroms, der von der Lichtbogensäule zur flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1
gelangt, minimal, was durch einen hohlen Brennkrater der Elektrode 1 gekennzeichnet wird Doch Ist die räumliche
Stabilisierung des Llchtbogenstützflecks in Axialrichtung der Elektrode dabei geschwächt. In diesem Falle
bewirkt die geringe Konzentration des Wärmestroms von der Lichtbogensäule zur Elektrode 1 eine entsprechend
kleine Erosionsgeschwindigkeit des hochschmelzenden Einsatzes 2, was eigentlich eine Vergrößerung der
Arbeitsdauer der Elektrode 1 hervorrufen müßte. Infolge der Schwächung des Effektes der räumlichen Stabilisierung
des Llchtbogenstützflecks an der Elektrode 1 ist jedoch der Verbrauch des hochschmelzenden Einsatzes 2
In der Längsrichtung scharf begrenzt, was seinerseits die
Arbeitsdauer der Elektrode 1 entsprechend vermindert.
Wird ein Schneidbrenner verwendet, in dem der Durchmesser d der flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1
kleiner als 0,4 Durchmesser der Elektrode 1 Ist, steigt die Konzentration des Wärmestroms zur flachen Stirnseite
20 der Elektrode 1 wesentlich an, was einen entsprechenden Anstieg der Erosionsgeschwindigkeit des hochschmelzenden Einsatzes 2 hervorruft.
Obwohl in diesem FaIK die räumliche Stabilisierung
des Lichtbogens ansteigt, beschränkt dennoch die Bildung
eines schmalen Aushrennungskraters der Elektrode 1 das Ausbrennen (den Verbrauch) des Einsatzes 2 in
dessen Längsrichtung, won hierbei ein Parallelschalten
der Lichtbogensäule durch die Kraterwandung erfolgt, so daß ein weiteres Brennen des Lichtbogens unmöglich
wird, was ebenfalls die Arbeitsdauer der Elektrode 1 verringert.
Wie bereits betont wurde, ist die Arbeitsdauer der Düse 3 in dem Fall am höchsten, wenn der Verbindungsradius des zylindrischen Abschnitts 23 mit dem kegelförmigen
Abschnitt 25 im wesentlichen der Länge deren zylindrischen Abschnitts 23 entspricht. Wird diese
Bedingung nicht eingehalten, so steigt in dem Fall, wenn der Verbindungsradius kleiner ist als die Länge des zylindrischen
Abschnitts 23 die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines doppelten Lichtbogens, und die Arbeilsdauer
der Düse 3 wird entsprechend verringert, und im anderen
Falle - wenn der Verbindungsradius größer ist als die Läng? des zylindrischen Abschnitts 23, steigt der Wärmestrom
zur Düse 3 an, was zu einem unproduktiven Verlust der Wärmeleistung des Schneidbrenners oder
sogar zu einer Zerstörung der Düse 3 führt.
Vom oben dargelegten ausgehend, kann man zur Schlußfolgerung gelangen, daß zur Arbeitsdauer des
Schneidbrenners sowohl die Arbeitsdauer der Elektrode 1 als auch die Arbeitsdauer der Düse 3 gehört.
Eine hohe Konzentration der Wärmeleistung des Lichtbogens in dessen Längsrichtung von der Düse 3
zum Bearbeitungsmetall gewährleistet bekanntlich eine hohe Schnittgeschwindigkeit und eine hohe Schnittgüte.
Im Zusammenhang damit konnte man feststellen, daß man die flache Stirnseite 20 der Elektrode 1 in einem
Abstand h von der Stirnseite 24 der Düse 3 anordnen
sollte, der etwa 1,5 Durchmesser der flachen Stirnseite 20 der Elektrode 1 beträgt. 1st dieser Abstand größer als der
genannte, so entsteht ein unproduktiver Verlust an Wärmeleistung des Schneidbrenners, wodurch die Schnitlgeschwindigkeit
vermindert wird, während bei einem kleineren Abstand als der genannte eine Verringerung
der Konzentration der Wärmeleistung in der Längsrichtung des Lichtbogens von der Düse 3 zum Bearbeilungsmetall
erfolgt, das zu einer Verschlechterung der Schnittgute
führt.
Nachstehend wird die Erfindung durch Beispiele erläutert, welche in der folgenden Tafel angeführt sind.
10 200 4 115 3 3 7
100 400 0.2 16 8 5 5 12
wobei
ü - Durchmesser der Elektrode;
(/ - Durchmesser der flachen Stirnseile der Elektrode;
/- Länge des zylindrischen Abschnitts der Düse;
R - Verbindungsradius des kegelförmigen mit dem
R - Verbindungsradius des kegelförmigen mit dem
zylindrischen Abschnitt der Düse;
/; - Absland zwischen der flachen Stirnseite der Elektrode und der Stirnseite der Düse
/; - Absland zwischen der flachen Stirnseite der Elektrode und der Stirnseite der Düse
bedeuten.
Die Arbeit des erfindungsgemäßen Plasmaschneidbrenners verläuft folgendermaßen:
In den Hohlraum 13 der Elektrode 1 und in den ringförmigen
Hohlraum 16 des Düsenhalters 6 wird zunächst Kältemittel eingeleitet. Aus dem Zufuhrsystem für plasmabildendes
Gas wird nun dem Wirbler 18 Gas züge-
Schneiddicke | Schnitt | Sch η it ι- | Abmessungen. |
von niedrig- | st rom | ueschtt in- | mm |
gekohliem | digkeit | ||
Stahl | |||
mm | A | m/min | /J<// R It |
führt. Aus dem Wirbler 18 gelangt das Gas in den Spalt 19 zwischen der Elektrode 1 und der Düse 3 und
umströmt den zylindrischen Abschnitt 23 der Düse 3.
Daraufhin wird zwischen der Elektrode 1 und der Düse
3 im Spalt 19 ein Hilfslichtbogen erregt, der seinerseits zum Erzeugen des schneidenden Lichtbogens zwischen
der Elektrode 1 und dem Bearbeitungsmetall dient. Dabei drückt das plasmabildende Gas in der Formierkammer
26 den Lichtbogen zusammen, um einen hochkonzentrierten Wärmestrom, gerichtet auf das Bearbeitungsmciall,
zu erzeugen, wobei das Schneiden des Metalls bewerkstelligt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Plasmaschneidbrenner mit Wirbelzufuhr des plasmabildenden Gases in eine Formierkammer, begrenzt einerseits durch eine im wesentlichen zylindrische Elektrode von einem Durchmesser, dessen Größe entsprechend dem Lichtbogenstrom gewählt wird, mit einem hochschmelzenden Einsatz und einer flachen Stirnseite, die mit der Seitenfläche der Elektrode durch einen Abschnitt verbunden ist, welcher einen Teil der Außenfläche eines Torus darstellt, und andererseits durch eine im Abstand davon angeordnete Düse mit einem der flachen Stirnseite der Elektrode zugewandten kegelförmigen Abschnitt und einem sich daran über eine torische Fläche abgerundet anschließenden zylindrischen Abschnitt, dessen Länge entsprechend dim Lichtbogenstrom gewählt ist, wobei der Abstand zwischen Elektrode und Düse entsprechend dem für den vorgegebenen Durchsatz an plasmabildendem Gas erforderlichen Durchgangsquerschnitt bemessen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der flachen Stirnseite (20) der Elektrode (1) etwa das 0,4- bis 0,5fache des Durchmessers der Elektrode selbst beträgt, der Krümmungsradius der torischen Fläche der Düse (3) etwa gleich der Länge ihres zylindrischen Abschnittes (23) ist und der Abstand der flachen Stirnseite (20) der Elektrode (1) von der Stirnseite (24) der Düse (3) etwa das l,5fache des Durchmessers der flachen Stirnseite (20) der Elektrode (1) beträgt.
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