DE3640037A1 - Verfahren und plasmabrenner zum bearbeiten metallischer werkstuecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks mit einem Plasmabrenner, bei dem angrenzend an und rings um eine Elektrode in dem Brenner eine Strömung eines ionisierbaren Gases zur Erzeugung eines Plasmas mit Hilfe eines Lichtbo­ gens erzeugt wird und bei dem das Plasma als Plasma­ strahl hoher Geschwindigkeit durch eine Brennerdüse hindurch gegen das Werkstück gerichtet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Plasmabrenner bzw. Plasma-Lichtbogenbrenner sind be­ kannt und entwickeln ohne eine Geräuschdämpfung beim Trennschweißen von Flußstahl mit einer Dicke von etwa 1,27 cm bei einer Stromstärke von 400 A beim Arbeiten mit einem Stickstoff-(Lichtbogen-)Plasmastrahl einen Lärmpegel von etwa 110 dbA. Dies ist eindeutig ein hoher Lärmpegel, welcher reduziert werden muß. Bei­ spielsweise fordern die OSHA-Vorschriften in den USA, daß die Geräuschpegel bei einem Arbeitszeit/Pausen- Verhältnis von 50% unter 95 dbA gehalten werden müssen, und viele europäische Länder fordern Lärmpegel unter 85 dbA. Beim Plasma-Lichtbogen-Trennschneiden entstehen ferner Luftverschmutzungen, eine UV-Strahlung und ei­ ne Blendwirkung, und zwar in einem Ausmaß, das im gün­ stigsten Fall nur störend ist, häufig jedoch gesund­ heitsgefährdend.

Zu den derzeit bekannten Verfahren der Schalldämmung bei Plasmabrennern gehört der Einsatz sogenannter Was­ sertische, bei denen das Werkstück auf einen Tisch ge­ legt wird, auf dem sich Wasser befindet, die Verwendung von langsam fließenden, dickwandigen Wassermänteln bzw. -vorhängen und das Versenken des Werkstücks in Wasser (Unterwasser-Schweißen).

Der Unterwasserbetrieb von Plasmabrennern hat als Ver­ fahren zur Schalldämmung und zur Verringerung der Luft­ verschmutzung, der UV-Strahlung und der Blendwirkung weite Verbreitung gefunden. Obwohl sich hinsichtlich der Umweltbelastung einige deutliche Vorteile des Un­ terwasser-Schweißens ergeben, bringt diese Technik auch zahlreiche Nachteile mit sich. Das Unterwasser- Trennschweißen macht typischerweise eine Erhöhung der Leistung um 10 bis 20% erforderlich, während die Schneid­ geschwindigkeit gleichzeitig um 10 bis 20% abnimmt. Ferner wird die Schnittqualität verringert, während die Zunderbildung an der Schnittstelle zunimmt. Zusätz­ lich wird durch das Wasser das Erfassen von Hindernissen und das Erfassen der anfänglichen Höhe wesentlich er­ schwert, wenn man ein Positioniersystem verwendet, welches auf dem Plasmastrahl-Wirbeldruck basiert, wie dies in der US-PS 42 03 022 beschrieben ist.

Derzeit werden beim Unterwasser-Trennschweißen mit Plasmabrennern für die Erzeugung des Plasmas nur inerte Gase, wie z.B. Stickstoff, verwendet. Dies ist teilwei­ se darauf zurückzuführen, daß beim Plasmaschweißen mit reaktionsfähigen Gasen wie Sauerstoff und Luft mit nie­ drigeren Stromstärken gearbeitet wird. Außerdem sind reaktionsfähige Gase anfälliger für den Einfluß von Wasser im Bereich des Plasmastrahls als nicht reaktions­ fähige Gase.

Weitere Probleme ergeben sich bei den derzeitigen Ver­ fahren des Unterwasser-Schweißens mit Plasmabrennern aufgrund der Tatsache, daß das Wasser kontinuierlich in die Schneidzone fließt, wodurch die Qualität des Schnittes wesentlich verschlechtert wird und wobei sich unter dem Werkstück gasförmige Produkte, wie z.B. Wasserstoff, sammeln. Die Ansammlung von Wasserstoff unter dem Werkstück ist jedoch wegen der Tendenz des Wasserstoffs, gelegentlich und in unkontrollierter Weise zu explodieren, gefährlich.

Eine andere Methode zur Schalldämpfung beim Überwasser- Schweißen besteht darin, daß das Werkstück auf einen Wassertisch gelegt wird, wie er beispielsweise in der US-PS 37 87 247 beschrieben ist. Das Wasser an der Un­ terseite des Werkstücks und in der Schnittzone selbst führt jedoch zu einer verringerten Qualität des Schnitts. Außerdem sammelt sich unter dem Werkstück wieder Wasser­ stoff, was die oben angesprochenen Gefahren mit sich bringt.

Der Lärm kann auch durch die Verwendung einer Schall­ dämpfungsvorrichtung verringert werden, wie sie in der US-PS 38 33 787 beschrieben ist. Gemäß diesem Patent wird rings um den Plasmastrahl ein dickwandiger, zylin­ drischer Wassermantel erzeugt, der mit niedriger Ge­ schwindigkeit fließt. Dabei ergeben sich jedoch wieder ähnliche Probleme wie beim Unterwasser-Schweißen, da die Wasserströmung den Plasmastrahl stört und die Schnittqualität beeinträchtigt. Dieses Problem ist da­ bei besonders gravierend, wenn ein reaktionsfähiges Gas, wie z.B. Sauerstoff oder Luft, verwendet wird. Selbst die Kombination von Wassertisch und Wasserman­ tel hat sich außerdem nicht als ausreichend erwiesen, um den Lärmpegel unter 90 dbA zu drücken.

Ausgehend vom Stande der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Bear­ beiten metallischer Werkstücke mit einem Plasmabren­ ner bzw. einen verbesserten Plasmabrenner anzugeben, bei dem die Umweltbelastung beim Überwasser- und beim Unterwasser-Schweißen ohne Beeinträchtigung der Schneidleistung und/oder der Schnittqualität verringert wird.

Diese Aufgabe wird, was das Verfahren anbelangt, da­ durch gelöst, daß mittels eines unter einem relativ hohen Druck stehenden Gases eine ringförmige Gasströ­ mung erzeugt wird, die den Plasmastrahl von der Bren­ nerdüse bis zu dem Werkstück umschließt, und daß eine ringförmige Flüssigkeitsströmung relativ hoher Geschwin­ digkeit erzeugt wird, die die Gasströmung umgibt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich ferner ein Plasmabrenner besonders bewährt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß Gasströmungserzeugungs­ einrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe eine ringförmige Gasströmung aus einem unter einem relativ hohen Druck stehenden Gas erzeugbar ist, die den Plas­ mastrahl von der Brennerdüse bis zu dem Werkstück um­ schließt, und daß Flüssigkeitsströmungserzeugungsein­ richtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe eine ring­ förmige Flüssigkeitsströmung relativ hoher Geschwin­ digkeit erzeugbar ist, die die Gasströmung umgibt.

Es ist ein besonderer Vorteil von Verfahren und Plasma­ brenner gemäß der Erfindung, daß die Geräuschentwicklung, die Luftverschmutzung, die UV-Strahlung und die Blend­ wirkung beim über- und Unterwasser-Schweißen gegenüber dem Stand der Technik verringert werden, was haupt­ sächlich darauf zurückzuführen ist, daß das Wasser von dem Plasmastrahl und den angrenzenden Bereichen der Schweißzone oberhalb und unterhalb des Werkstücks, zumindest weitgehend, ferngehalten wird.

Weiterhin ist es ein Vorteil von Verfahren und Plasma­ brenner gemäß der Erfindung, daß beim Unterwasser- Schweißen Hindernisse und die Anfangshöhe exakt er­ faßt werden können.

Es ist auch ein Vorteil von Verfahren und Brenner ge­ mäß der Erfindung, daß eine verbesserte Schnittquali­ tät erreichbar ist, inbesondere, wenn zur Erzeugung des Plasmastrahls reaktionsfähige Gase verwendet wer­ den.

Weiterhin ist es ein Vorteil von Verfahren und Plasma­ brenner gemäß der Erfindung, daß sie hervorragend für das Arbeiten auf einem Wassertisch geeignet sind. Im übrigen wird beim Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit dem verbesserten Plasmabrenner ge­ mäß der Erfindung die unerwünschte Ansammlung von Was­ serstoff an der Unterseite des Werkstücks verhindert.

Weiterhin ist es ein Vorteil von Verfahren und Plasma­ brenner gemäß der Erfindung, daß der Brenner relativ einfach und wirtschaftlich hergestellt werden kann und daß außerdem die Möglichkeit besteht, bereits vorhan­ dene Plasmabrenner gemäß der Erfindung nachzurüsten. Plasmabrenner und Verfahren gemäß der Erfindung sind für das Unterwasser-Schweißen und für das Überwasser- Schweißen geeignet, wobei in beiden Fällen die Lärm­ entwicklung und andere Umweltstörungen reduziert wer­ den, da der Plasmastrahl von zwei Fluidströmungen um­ geben ist, wobei jedoch die exakte Schnitterzeugung nicht beeinträchtigt oder verschlechtert wird. Speziell ist der Plasmastrahl von einer ringförmigen Hochdruck- Gasströmung, inbesondere einer Luftströmung, umschlos­ sen, die ihrerseits wieder von einer schnellen, ring­ förmigen Flüssigkeitsströmung, insbesondere einer Was­ serströmung, umgeben ist. Beide Strömungen treten da­ bei aus Düsen bzw. Düsenöffnungen aus, welche die Plasmastrahldüse ringförmig und im Abstand umgeben. Beide Fluidströmungen können eine konische Form haben und besitzen beim bevorzugten Ausführungsbeispiel bei­ de eine konische Form. Die Gasströmung umgibt und sta­ bilisiert den Plasmastrahl, da sie konisch nach innen gerichtet ist, während die Flüssigkeitsströmung die Gasströmung stabilisiert, wobei sie sich konisch nach außen öffnet und im Abstand von dem Plasmastrahl ge­ halten wird.

Beim Unterwasser-Schweißen schafft die Gasströmung in der Schneidzone einen unter hohem Druck stehenden, wasserfreien Raum, welcher den Raum zwischen dem Bren­ ner und dem Werkstück, den Raum im Schneidspalt und den an den Schneidspalt angrenzenden Raum unter dem Werkstück umfaßt. Das Wasser wird somit vom Schnitt und von dem Plasmastrahl ferngehalten.

Beim Überwasser-Schweißen sorgt die Kombination von Hochdruck-Gasströmung und schnellströmendem, radial nach außen gerichteten Wassermantel dafür, daß der Plasmastrahl beim Schneiden nicht gestört wird, wäh­ rend der von der Plasmadüse ausgehende Lärm wirksam gedämpft wird. Dabei kann die Erfindung in Verbindung mit einem Wassertisch realisiert werden. Die Gasströ­ mung bewirkt dabei wie bei Unterwasser-Schweißen, daß der Schnitt und der Bereich unterhalb des Werkstücks frei von Wasser gehalten werden und daß die kein Was­ ser in den Bereich des Plasmastrahls gelangt. Weiter­ hin wird das Werkstück beim Überwasser- und beim Unter­ wasser-Schweißen an seiner Unterseite ständig durch die Druckgas- bzw. Druckluftströmung gespült, so daß die Ansammlung von gasförmigem Wasserstoff vermieden wird.

Die Erfindung kann in Form einer Zusatzeinrichtung an bereits vorhandenen Plasmabrennern, beispielsweise sol­ chen gemäß US-PS 36 41 308, realisiert werden. Bei dem dort beschriebenen Plasmabrenner wird im Bereich der Brennerdüse eine laminare Flüssigkeitsströmung erzeugt, um den Plasmastrahl einzuschließen. Dabei ist es wich­ tig, zu beachten, daß gemäß der Erfindung eine beson­ dere, schnelle Flüssigkeitsströmung erzeugt wird, um als Schallbarriere und als Druckmantel um eine wasser­ freie Schneidzone zu dienen. Die schnelle Flüssigkeits­ strömung wird dabei durch eine Hochdruck-Gasströmung vom Plasmastrahl ferngehalten. Da der Flüssigkeits­ strom somit nicht in Wechselwirkung mit dem Plasma­ strahl tritt oder diesen begrenzt, unterscheidet er sich von der laminaren Flüssigkeitsströmung gemäß der erwähnten US-PS 36 41 308. Die erfindungsgemäß einge­ setzte Hochdruck-Gasströmung sorgt dafür, eine wasser­ freie Schneidzone zu schaffen und ist damit gleich­ falls völlig verschieden von der Gasströmung, welche angrenzend an die Elektrode erzeugt wird, um ein ioni­ siertes Plasma zu bilden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevor­ zugte Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Plasmabrenners beim Unterwasser- Schneiden;

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Seitenansicht des Brenners gemäß Fig. 1 beim Einsatz auf einem Wasser­ tisch.

Im einzelnen zeigen Fig. 1 bis 3 die hier interessie­ renden Elemente eines Plasmabrenners 10 mit einem im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 12 und einer Düse 14, aus der ein Plasmastrahl 16 mit hoher Geschwin­ digkeit austritt. Dabei ist die Richtung des Plasma­ strahls 16 durch einen Pfeil 17 angedeutet, und der Strahl 16 schneidet durch ein Werkstück 18, wobei ein Schnitt hoher Qualität erzeugt wird. Wie die Zeichnung zeigt, ist der Plasmabrenner 10 im wesentlichen so auf­ gebaut wie ein bekannter, in der US-PS 36 41 308 be­ schriebener Plasmabrenner. Der Plasmabrenner umfaßt in der für solche Brenner typischen Weise eine Elek­ trode, welche mit einer externen Spannungsquelle ver­ bunden ist, so daß zwischen der Elektrode und einem Werkstück ein Lichtbogen erzeugt wird. Eine Strömung eines ionisierbaren Gases wird rings um die Elektrode und angrenzend an diese zugeführt, so daß ein Licht­ bogen-Plasmastrahl erzeugt wird, welcher das Werkstück durchschneidet.

Gemäß der Erfindung ist an dem Grundkörper 12 des Bren­ ners 10 ein Düsenkörper 22 mit einer Sicherungskappe 24 befestigt, welcher den Grundkörper 12 umgibt. Das äußere, in der Zeichnung untere Ende der Sicherungs­ kappe 24 besitzt eine nach innen vorspringende, umlau­ fende Kante 26 und eine nach außen vorstehende, umlau­ fende Kante 28. Ein Spalt zwischen dem oberen Teil des Düsenkörpers 22 und dem Grundkörper 12 bildet eine ringförmige Gaskammer 30. Unterhalb der Gaskammer 30 ist in die Sicherungskappe 24 eine Anzahl von axialen Bohrungen 32 gebohrt, die zu der inneren umlaufenden Kante 26 führen. Die Anordnung der axialen Bohrungen 32 wird besonders aus Fig. 2 deutlich. Ein Gaseinlaß 34 verbindet die Gaskammer 30 mit einem externen Druck­ gasvorrat, insbesondere mit einer Druckluftquelle (nicht gezeigt).

Das untere Ende des Düsenkörpers 22 ist mit einer ring­ förmigen Flüssigkeitskammer 36 versehen, welche über einen Flüssigkeitseinlaß 38 mit einem Vorrat einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, insbesondere mit einer Quelle für unter Druck stehendes Wasser (nicht gezeigt) verbunden ist. Die innere umlaufende Wand der Flüssigkeitskammer 36 wird dabei durch eine Buchse 40 gebildet. Innerhalb der Buchse 40 befindet sich ein Ringraum 42, welcher am unteren Ende offen ist. Eine Anzahl von radialen Öffnungen 44 längs des Umfangs der Buchse 42 ermöglicht das Eintreten von Flüssigkeit bzw. Wasser aus der Flüssigkeitskammer 36 in den Ringraum 42.

Für den in Fig. 1 gezeigten Unterwasserbetrieb des Plasmabrenners 10 taucht der Hauptteil des Brenners 10 in das Wasser 46 ein, dessen Oberfläche 48 typischer­ weise etwa 7,5 cm über der Oberseite 50 des Werkstücks 18 liegt. Ein Druckgas, vorzugsweise Druckluft, strömt in einer Menge von 0,057 bis 0,566 m³/min (2-20 scfm) in den Gaseinlaß 34. Das Druckgas füllt dann die Gas­ kammer 30 und fließt von dort nach unten durch die axialen Bohrungen 32. Die Luft verläßt die Sicherungs­ kappe 24 in der Nähe der umlaufenden inneren Kante 26 durch eine ringförmige Gasdüsenöffnung 52. Die Druck­ luft strömt als nach innen gerichtete, ringförmige, konische Strömung 54 mit einer radialen Geschwindigkeits­ komponente quer zur Strömungsrichtung 17 gegen den Plas­ mastrahl 16. Die Druckluftströmung 54 stabilisiert den Plasmastrahl 16 und erzeugt an einer Schneidzone 56 einen unter hohem Druck stehenden wasserfreien Raum. Dabei umfasst die Schneidzone 56 nicht nur den Zwischen­ raum zwischen dem Werkstück 18 und dem Brenner 10, son­ dern auch - und dies ist noch wichtiger - den Schnitt 20 selbst sowie die Unterseite des Werkstücks 18 un­ mittelbar unterhalb des Plasmabrenners 10. Auf diese Weise wirkt die Druckluft in dem Schnitt 20 als ein Damm, welcher verhindert, daß Wasser in die Schneid­ zone 56 gelangt. Außerdem hilft die Luftströmung 54, soweit sie durch den Schnitt 20 hindurchgeht, dabei, die Unterseite der Schneidzone 56 einschließlich des an den Schnitt 20 angrenzenden Bereichs der Untersei­ te des Werkstücks 18 frei von Wasser zu halten. Gas­ förmige Produkte, welche bei diesem Trennschweißvor­ gang entstehen, wie z.B. Wasserstoff, und welche sonst die Tendenz haben, sich an der Unterseite des Werk­ stücks 18 zu sammeln, werden ebenfalls von der Druck­ luft weggetrieben. Dabei soll in der vorliegenden An­ meldung unter einem hohen Druck ein Druck verstanden werden, der ausreichend hoch ist, um eine wasserfreie Schneidzone 56 zu schaffen. Wie der Fachmann ohne weiteres erkennt, hängt die Form der Schneidzone 56 im Einzelfall von den Betriebsparametern ab, wie z.B. von der Größe der Düsenöffnung 52 und vom Abstand zwi­ schen der Brennerdüse 14 und dem Werkstück 18.

Zusätzlich zu der Gasströmung 54 besteht ein weiteres, wichtiges, damit verknüpftes Merkmal der Erfindung da­ rin, daß eine konische Flüssigkeitsströmung 58 mit ho­ her Geschwindigkeit erzeugt wird. Eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, tritt unter Druck mit einem Durch­ satz von etwa 76 l/min aus dem Flüssigkeitseinlaß 38 in die Flüssigkeitskammer 36 ein. Die Flüssigkeit strömt zunächst durch die radialen Öffnungen 44 und dann in­ nerhalb der Ringkammer 42 zu der äußeren umlaufenden Kante 28. Die Flüssigkeit (das Wasser) verläßt die Sicherungskappe 24 an einer ringförmigen Düsenöffnung 60. Die Flüssigkeit (das Wasser) fließt als nach außen gerichtete, ringförmige, konische Wasserströmung um den oberen Teil der Schneidzone 56, wobei die Strömung 58 eine radiale Geschwindigkeitskomponente quer zur Richtung 17 des Plasmastrahls 16 hat. Durch die Wasser­ strömung 58 wird eine Luft/Wasser-Grenzschicht hoher Geschwindigkeit geschaffen, welche dem Eindringen von Wasser in die Schneidzone 56 Widerstand leistet und dabei hilft, Luftblasen, die sich an der Oberseite 50 des Werkstücks 18 sammeln, nach außen zu treiben. Die ringförmige Wasserströmung 58, welche aus der Düsen­ öffnung 60 austritt und dann radial bzw. konisch nach außen strömt, hat an allen Punkten ihres Strömungs­ weges einen Abstand von dem Plasmastrahl 16 und ist damit völlig verschieden von den bekannten Wasserströ­ mungen zum Umschließen und Begrenzen des Plasmastrahls (vgl. US-PS 36 41 308).

Dadurch, daß man das Wasser aus der Schneidzone 56 heraushält, wird die Qualität des Schnittes 20 stark verbessert, und es wird in der Praxis möglich, zur Erzeugung des Plasmastrahls reaktionsfähige Gase, wie z.B. Sauerstoff und Luft, zu verwenden. Mit einem Sauerstoff-Plasmastrahl gelingt es beispielsweise, bei einer Eintauchtiefe von etwa 7,5 cm in Flußstahl mit einer Stärke von etwa 2,5 cm durch Trennschweißen ei­ nen zunderfreien, rechteckigen Schnitt zuverlässig her­ zustellen. Bei Flußstahl mit einer Dicke von etwa 1,25 cm sind die Werte für den Strom, die Spannung und die Schneidgeschwindigkeit dieselben wie beim Trennschweißen außerhalb von Wasser. Bei Flußstahl mit einer Stärke von etwa 2,5 cm sind die Werte für den Strom und die Spannung dieselben wie beim Schweißen außerhalb des Wassers, und die Schneidgeschwindigkeit wird ledig­ lich um 10 bis 20% verringert. Die Lärmpegel, die beim Unterwasser-Trennschweißen erzeugt wurden, wurden gemessen und lagen unter 85 dbA, und zwar sowohl bei Sauerstoff-Plasma wie auch bei Stickstoff-Plasma und bei Maximalwerten des Lichtbogenstroms von 260 bis 400 A. Das Trennschweißen wurde in einer Tiefe von etwa 7,5 cm durchgeführt, und die Schallmessungen wur­ den in einem Abstand von etwa 1,8 m von dem Brenner durchgeführt.

Zur Schalldämpfung des Brenners beim Schweißen außer­ halb des Wassers wird der Brenner ähnlich betrieben wie dies für das Unterwasser-Schweißen beschrieben wurde. Wie Fig. 3 zeigt, besteht der Hauptunterschied natürlich darin, daß der Brenner nicht in Wasser ein­ taucht. Bei dieser Betriebsart wirkt die den Plasma­ strahl umgebende Wasserströmung als Schalldämpfer und als Abschirmung für ultraviolette Strahlung und unter­ stützt einen Druckaufbau in der Schneidzone. Beim ty­ pischen Überwasserbetrieb tritt das Wasser unter Druck und mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 76 l/min über den Flüssigkeitseinlaß 38 in den Düsenkörper 22 ein. Das Wasser strömt wie beim Unterwasserbetrieb durch den Düsenkörper 22 und verläßt diesen durch die ringförmige Düsenöffnung 60, an der es durch die umlaufende äußere Kante 28 der Rückhaltekappe 24 nach außen gelenkt wird, so daß sich eine konische, radial nach außen gerichtete Wasserströmung 58 mit hoher Ge­ schwindigkeit ergibt. Diese Wasserströmung 58 hoher Geschwindigkeit schließt den Lichtbogen bzw. den Plasmastrahl vollständig ein und reicht vom unteren Ende des Plasmabrenners 10 zur Oberseite 50 des Werk­ stücks 18, so daß sich eine wirksame Dämpfungsein­ richtung ergibt, da die beim Brennschweißen entstehen­ den Schallwellen innerhalb des umschlossenen Raums ein­ gefangen werden. Durch die konische bzw. glockenför­ mige Gestalt der ringförmigen Wasserströmung 58 wird das Wasser dabei von der Schneidzone 56 weggelenkt, wodurch sich die Möglichkeit einer Störung des Plasma­ schneidprozesses durch das Wasser verringert. Dies ist besonders dann wichtig, wenn für das Trennschweißen ein reaktionsfähiges Gas, wie z.B. Sauerstoff oder Luft zur Bildung des Plasmastrahls verwendet werden.

Wie beim Unterwasserbetrieb kann die Qualität des Schnittes 20 durch Verwendung einer Hochdruck-Gas­ strömung beim Überwasserbetrieb verbessert werden. Da­ bei wird dem Gaseinlaß 34 des Düsenkörpers 22 wieder Druckluft in einer Menge von etwa 0,283 m³/min (10 scfm) zugeführt. Versuche mit einem Prototyp des erfindungs­ gemäßen Plasmabrenners zeigten, daß eine Luftströmung von mehr als etwa 0,028 bis 0,283 m³/min (1-10 scfm) die Wasserströmung stört und die schalldämpfende Wir­ kung verringert. Die Luft strömt durch den Düsenkörper 22 zu der ringförmigen Düsenöffnung 52 und wird von dort als radial nach innen gerichtete, ringförmige, konische Luftströmung 51 gegen einen Punkt 61 unter­ halb der Brennerdüse 14 gelenkt. Besonders günstig ist es, wenn der Winkel der inneren umlaufenden Kante 26 so gewählt ist, daß die Luftströmung 54 zu einem Punkt 61 gelenkt wird, der sich dort befindet, wo der Schnitt 20 an der Oberseite 50 des Werkstücks 18 beginnt. Auf diese Weise dient die Luftströmung 54 dazu, die Mög­ lichkeit, daß der Plasmastrahl durch die Wasserströmung 58 beeinträchtigt wird, noch weiter zu reduzieren, wo­ bei die Qualität des Schnittes 20 verbessert wird, ins­ besondere,wenn ein reaktionsfähiges Gas zur Erzeugung des Plasmastrahls verwendet wird.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Plasmabrenners in diesem schalldämpfenden Überwasserbetrieb wird die Reduzierung der Schallpegel gegenüber der bekannten Dämpfungseinrichtung gemäß US-PS 38 33 787 erheblich verbessert. Bei dieser bekannten Einrichtung wird rings um den Plasmastrahl eine dickwandige, langsame, nahezu stagnierende, fallende Wasserabschirmung ver­ wendet, die von der schnellen, konischen Hochdruck­ strömung gemäß der Erfindung völlig verschieden ist. Die Geschwindigkeit der radial nach außen gerichteten, ringförmigen, konischen Wasserströmung 58 beträgt ty­ pischerweise etwa 6,6 m/s, wobei die Dicke der strö­ menden Wasserschicht typischerweise 1,1 mm beträgt. Dagegen besitzt der fließende Wassermantel gemäß der vorstehend angesprochenen Patentschrift eine Geschwin­ digkeit von etwa 2,6 m/s und eine Dicke von etwa 3,2 mm. Die Bezeichnung Hochgeschwindigkeitsströmung wird in der vorliegenden Anmeldung für Strömungen verwendet, deren Strömungsgeschwindigkeit mindestens 50% höher ist als die Strömungsgeschwindigkeit gemäß dem ge­ nannten Stand der Technik bzw. eine Strömungsgeschwin­ digkeit von mindestens etwa 3,7 m/s, und zwar sowohl für den Unterwasserbetrieb als auch für den Überwasser­ betrieb. Die Wandstärke des Wasserfilms ist nicht kri­ tisch; größere Wandstärken führen jedoch zu verbes­ serten Schallisolationseigenschaften. Die Stärke einer strömenden Wasserwand liegt beim Arbeiten mit dem er­ findungsgemäßen Plasmabrenner typischerweise bei etwa 1 bis 2 mm. Bei einer größeren Stärke des Wasserfilms werden die Anforderungen an die Pumpeinrichtungen für die Praxis zu hoch, wenn man eine hohe Wassergeschwin­ digkeit aufrechterhalten möchte. Die Schallpegel wurden beim Trennschweißen gemessen und lagen in allen Fällen unter 90 dbA, wenn mit einem Stickstoff-Plasma bei einer maximalen Stromstärke von 400 A gearbeitet wurde. Beim Trennschweißen mit einem Sauerstoff-Plasma und bei einer maximalen Stromstärke von 260 A lagen die Schallpegel unter 86 dbA. Dabei wurden die Messungen sämtlich in einem Abstand von etwa 1,8 m von dem Bren­ ner und beim Schneiden von Flußstahl mit einer Stärke von etwa 1,2 mm durchgeführt.

Die Schalldämpfung und die Kontrolle der Umweltver­ schmutzung kann beim Überwasserbetrieb dadurch noch weiter verbessert werden, daß man einen Wassertisch verwendet, wie er in der US-PS 37 87 247 beschrieben ist. Gemäß dieser Patentschrift wird auf einen Schneid­ tisch (nicht gezeigt) eine gewisse Wassermenge ge­ schüttet, derart, daß sich die Wasseroberfläche in Kontakt mit der Unterseite des Werkstücks oder in ge­ ringem Abstand von derselben befindet. Bei dieser Ar­ beitsweise erzeugt die ringförmige, konische Druckluft­ strömung eine wasserfreie Schneidzone, welche den Schnitt und die angrenzenden Bereiche der Unterseite des Werkstücks unterhalb des Plasmabrenners umfasst. Wie beim Unterwasserbetrieb stabilisiert die Luftströ­ mung den Plasmastrahl, und die wasserfreie Schneid­ zone wirkt wie ein Damm, der das Wasser am Einströmen in den Schnitt hindert, während gasförmige Produkte, die beim Trennschweißen entstehen, wie z.B. Wasser­ stoff, von der Unterseite des Werkstücks weggetrieben werden. Dadurch, daß man das Wasser von dem Schnitt fern hält, wird dessen Qualität verbessert. Wenn mit dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner im Überwasserbe­ trieb gearbeitet wird, wenn sowohl eine Luftströmung wie auch eine Wasserströmung erzeugt werden, und wenn das Werkstück auf einem Wassertisch liegt, werden die Schallpegel beim Trennschweißen von Flußstahl mit ei­ ner Stärke von etwa 12 mm und bei einer maximalen Strom­ stärke von 400 A auf Pegel unter 90 dbA verringert. Beim Schneiden mit einem Sauerstoff-Plasma und bei maximalen Stromstärken von 260 A sinkt der Schallpe­ gel sogar unter 60 dbA. Die genannten Werte gelten da­ bei wieder für Schallmessungen in einem Abstand von etwa 1,8 m von dem Brenner.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird und daß weitere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der erfindungsge­ mäße Plasmabrenner ermöglichen insbesondere beim Un­ terwasserschneiden einen verringerten Leistungsbedarf und eine erhöhte Schneidgeschwindigkeit. Beim Überwas­ serbetrieb erfolgt eine wirksame Dämpfung des Schalls, ein Zurückhalten der beim Schweißen entstehenden Dämpfe und Partikel, eine Dämpfung der Blendwirkung und eine Dämpfung der schädlichen (UV-)Strahlung. Ferner wird das Erfassen von Hindernissen und die Einstellung der Ausgangshöhe erleichtert. Außerdem wird beim Unter­ wasserbetrieb die Verwendung reaktionsfähiger Gase er­ möglicht. Außerdem wird die Schnittqualität beim Plas­ mastrahl-Schneiden unter Wasser und auf einem Wasser­ tisch verbessert. Weiterhin wird eine Störung des Plas­ mastrahls vermieden, und außerdem wird Wasserstoff von der Unterseite des Werkstücks weggetrieben. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Brenner einfach und wirtschaft­ lich aufgebaut, und es besteht die Möglichkeit der Nach­ rüstung von vorhandenen Brennern mit erfindungsgemäß ausgebildeten Zusatzeinrichtungen.

Während Fig. 1 bis 3 einen erfindungsgemäßen Brenner aus einem konventionellen Brenner mit Zusatzeinrich­ tungen zeigen, versteht es sich, daß die erfindungsge­ mäßen Einrichtungen von vornherein konstruktiv in ei­ nen Plasmabrenner integriert werden können.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß dem Fachmann zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste. Ins­ besondere wurde die Erfindung vorstehend in Verbindung mit der bevorzugten Einsatzmöglichkeit, nämlich dem Trennschweißen erläutert. Die Vorteile der Erfindung werden aber auch beim Verschweißen von Werkstücken im Unterwasserbetrieb wirksam.

Claims (20)

1. Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werk­ stücks mit einem Plasmabrenner, bei dem angrenzend an und rings um eine Elektrode in dem Brenner eine Strömung eines ionisierbaren Gases zur Erzeugung eines Plasmas mit Hilfe eines Lichtbogens erzeugt wird und bei dem das Plasma als Plasmastrahl hoher Geschwindigkeit durch eine Brennerdüse hindurch gegen das Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines unter einem relativ hohen Druck stehenden Gases eine ringförmige Gasströmung er­ zeugt wird, die den Plasmastrahl von der Brenner­ düse bis zu dem Werkstück umschließt, und daß eine ringförmige Flüssigkeitsströmung relativ hoher Ge­ schwindigkeit erzeugt wird, die die Gasströmung umgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung und die Flüssigkeitsströmung jeweils mit Hilfe einer Düse erzeugt werden, wel­ che im Abstand von der Brennerdüse angeordnet ist und diese umgibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Strömungen derart erzeugt wird, daß sie eine konische Form annimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung in der Weise erzeugt wird, daß sie an der Oberseite des Werkstücks gegen den Plas­ mastrahl fließt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsströmung eine Geschwindigkeit von mindestens 3,6 m/s hat.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strömende Flüssigkeit der Flüssigkeits­ strömung eine Dicke von weniger als 3,18 mm besitzt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung radial nach innen gelenkt wird und daß die Flüssigkeitsströmung radial nach außen gelenkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkstück unter Wasser angeord­ net wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Plasma aus einem reaktionsfähigen Gas erzeugt.

10. Plasmabrenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer in seinem Grundkörper angeordneten Elektrode, mit Strömungserzeugungseinrichtungen zum Erzeugen einer Strömung eines ionisierbaren Gases angren­ zend an und rings um die Elektrode zur Erzeugung eines Plasmas und mit einer Brennerdüse zum Er­ zeugen eines gegen ein Werkstück gerichteten Plasmastrahls, dadurch gekennzeichnet, daß Gas­ strömungserzeugungseinrichtungen (22, 24, 26, 30, 32, 34, 52) vorgesehen sind, mit deren Hilfe eine ring­ förmige Gasströmung (54) aus einem unter einem relativ hohen Druck stehenden Gas erzeugbar ist, die den Plasmastrahl (16) von der Brennerdüse (14) bis zu dem Werkstück (18) umschließt, und daß Flüssigkeitsströmungserzeugungseinrichtungen (22, 24, 28, 40, 42, 60) vorgesehen sind, mit deren Hilfe eine ringförmige Flüssigkeitsströmung (58) relativ hoher Geschwindigkeit erzeugbar ist, die die Gasströmung (54) umgibt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strömungserzeugungseinrichtungen (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 40, 42, 52, 60) jeweils eine ringförmige Düsenöffnung (60, 2) umfassen, welche die Brennerdüse (14) im Abstand umgibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß den Düsenöffnungen (60, 52) Leiteinrich­ tungen (26, 28) zugeordnet sind, mit deren Hilfe eine konische Form der Strömungen (54, 58) erzeug­ bar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leiteinrichtungen (26) für die Gas­ strömung (54) derart ausgebildet sind, daß sich eine konische Gasströmung (54) ergibt, die an der Oberseite des Werkstücks (18) auf den Plasmastrahl (16) zu gerichtet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leiteinrichtungen (28) für die Flüs­ sigkeitsströmung (58) derart ausgebildet sind, daß die Flüssigkeitsströmung (58) eine Geschwindigkeit von mindestens etwa 3,6 m/s besitzt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Düsenöffnung (60) und die Leitein­ richtungen (28) für die Flüssigkeitsströmung (58) derart ausgebildet sind, daß die Flüssigkeits­ schicht der Flüssigkeitsströmung (58) eine Dicke von weniger als 3,18 mm aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Düsenöffnungen (60, 52) und ihre zuge­ hörigen Leiteinrichtungen (26, 28) derart ausgebil­ det sind, daß eine radial nach innen gerichtete konische Gasströmung (54) und eine radial nach außen gerichtete konische Flüssigkeitsströmung (58) erzeugbar sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leiteinrichtungen für die Gasströmung (54) eine radial nach innen vorspringende, umlau­ fende Kante (26) umfassen, und daß die Leiteinrich­ tungen für die Flüssigkeitsströmung (58) eine ra­ dial nach außen vorspringende, umlaufende Kante (28) umfassen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strömungserzeugungseinrichtungen (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 40, 42, 60) am Grundkörper (12) des Plasmabrenners befestigt sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die ringförmigen Düsenöffnungen (60, 52) für die Flüssigkeitsströmung (58) bzw. die Gasströ­ mung (54) durch einen Kragen (22, 24, 40) definiert sind, welcher am unteren Ende des Grundkörpers (12) des Plasmabrenners befestigt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kragen eine ringförmige, den Grundkör­ per (12) des Brenners umgebende Gaskammer (30) und mehrere axiale Bohrungen (32) aufweist, welche die Gaskammer (30) mit der Düsenöffnung (52) verbinden, und daß der Kragen (22, 24, 40) eine Flüssigkeits- Ringraum (36) aufweist, welcher die Gaskammer (30) umgibt, sowie einen Ringspalt (42), welcher die axialen Bohrungen (32) umgibt und in Verbindung mit der Düsenöffnung (60) für die Flüssigkeits­ strömung (58) steht, und daß mehrere radiale Öffnungen (44) vorgesehen sind, über die der Ring­ raum (36) für die Flüssigkeit mit dem Ringspalt (42) in Verbindung steht.