DE4239822A1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenplasma-Brenner zum Un­ terwasserbrennschneiden.

Lichtbogenplasma-Brenner werden häufig unter Wasser betrieben, um das mit dem Plasmabrennschneiden verbundene Geräusch zu mil­ dern und die Umweltbelastung durch den Brennschneidvorgang so gering wie möglich zu halten. Das Wasser fängt die durch das Plasma entstehenden Emissionen und Feststoffe auf, die sonst in die Luft abgegeben würden. Zusätzlich wird durch Brennschneiden unter Wasser schädliche Blendung und UV-Bestrahlung der Benut­ zer gemildert.

Jedoch ist beim Unterwasser-Lichtbogenplasma-Brennschneiden mehr Strom für den Brennerbetrieb bei verringerten Vorschubge­ schwindigkeiten erforderlich. Ganz wichtig ist dieNotwendig­ keit, die Brenner so auszulegen, daß das abgegebene Plasma vor Wasser geschützt ist, das in den Brennschneidbereich einströmen will. Wenn Wasser in den Brennschneidbereich eindringt, wird nicht nur die Schneidgüte verringert, sondern es werden gasför­ mige Nebenprodukte, z. B. Wasserstoff erzeugt, woraus sich mög­ licherweise unter dem Werkstück kleine Wasserstoffdetonationen ergeben können.

Der in der US-PS 48 16 637 vorgeschlagene und beschriebene Lichtbogenplasma-Brenner umfaßt eine Vorrichtung, die einen von der Düse nach außen gehenden Gasstrom, der das von der Düse ab­ gegebene Plasma umhüllt, erzeugt. Das Gas wird nach unten durch axiale Löcher und eine im wesentlichen kreisringförmige Öffnung abgegeben, die mit ihrem Innenumfang gegen das Plasma weist.

Dieser Strom bildet eine "Gasblase" oder einen Luftschleier um den Lichtbogen und hält die Wassermenge, die in den Brenn­ schneidbereich strömen kann, so klein wie möglich. Ein Wasser­ strom mit einer Geschwindigkeit größer als etwa 2,65 m/sec wird dann im Abstand vom abgegebenen Gas erzeugt, um zur Steuerung der Form des Gasstromes und zur Verringerung des beim Brenn­ schneiden erzeugten Geräusches beizutragen, wenn der Brenner über Wasser benutzt wird.

Wenngleich der Wasserstrom in den Brennschneidbereich bei die­ sem vorgeschlagenen Brenner so klein wie möglich gehalten ist, ist der Luftschleier über seinen Umfang nicht gleichmäßig aus­ gebildet, weil das Gas durch einzelne Gasauslaßöffnungen abge­ geben wird, die viele Gasströme erzeugen. Folglich kann Wasser durch die schwächeren Gebiete der Blase strömen, die durch man­ gelnde Gleichmäßigkeit des Gasstroms im kreisringförmigen Luft­ kanal erzeugt wurden. Weil das mit großer Geschwindigkeit strö­ mende Gas in vielen Gasströmen gegen das Plasma abgegeben wird, trifft außerdem das Gas auf das Plasma auf, ohne zuerst nach außen zu expandieren, wodurch ein Luftschleier von kleinerem, weniger wünschenswertem Durchmesser entsteht, somit die Mög­ lichkeit vergrößert wird, daß Wasser in den Brennschneidbereich strömt.

Gemäß der US-PS 42 91 217 wird das Lichtbogenplasma außerhalb der Düse von einem Druckluftmantel umhüllt. Die Druckluft strömt durch Gasauslaßöffnungen, die um die Düse gleichmäßig verteilt sind und bildet einen ungleichmäßigen Luftschleier, der einen gewissen Schutz gegen das Eindringen von Wasser in die Brennschneidzone bietet. Jedoch kann auch bei dieser Auslegung einiges Wasser in die Brennschneidzone eindringen, weil der ausgebildete Luftschleier ungleichmäßig und außerdem von kleinerem als dem gewünschten Durchmesser ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Lichtbo­ genplasma-Brenner zum Unterwasserbrennschneiden zu schaffen, bei dem mit großer Geschwindigkeit strömendes Gas in gleichmä­ ßigerer Verteilung als eine Luftschleier"blase" um das ausströ­ mende Plasma abgegeben wird.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Lichtbo­ genplasma-Brenner zum Unterwasserbrennschneiden zu schaffen, bei dem ein gleichmäßig ausgebildeter, schützender Luftschleier zum Schutz des Lichtbogenplasmas während des Unterwasserbrenn­ schneidens erzeugt wird.

Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lichtbo­ genplasma-Brenner für Unterwasserbrennschneiden zu schaffen, bei dem das mit großer Geschwindigkeit strömende Gas, das nahe der Düse abgegeben wird, nicht nur einen schützenden Luft­ schleier für das Plasma bildet, sondern sich auch von der Düse nach außen erweitert, um einen Luftschleier von wesentlich grö­ ßerem Durchmesser zu bilden, als bisher bei anderen vorgeschla­ genen Auslegungen von Lichtbogenplasma-Brennern für Unterwas­ serbrennschneiden erzielt wurde.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrich­ tung für einen Unterwasserbrennschneiden ermöglichenden Licht­ bogenplasma-Brenner zu schaffen, bei der das Plasma durch gleichmäßige Verteilung von Gas geschützt ist, das um das abge­ gebene Plasma eine Luftschleier"blase" bildet.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Unterwasserbrennschneiden mit einem Lichtbogenplasma-Bren­ ner zu schaffen, bei dem ein mit großer Geschwindigkeit strö­ mendes Gas im Wirbel nach unten am vorderen Endstück des Bren­ nerhauptteils entlang und durch einen Auslaß abgegeben wird, um einen schützenden Luftschleier für das Plasma während des Un­ terwasserbrennschneidens zu erzeugen.

Ein die vorstehend genannten Aufgaben lösender Lichtbogenplasma-Brenner geht aus den Ansprüchen 1, 2, 10 und 11 hervor. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Der Lichtbogenplasma-Brenner gemäß der Erfindung ermöglicht die Abgabe eines mit großer Geschwindigkeit strömenden Gases im Wirbel am vorderen Abschnitt des Brennerhauptteils entlang und durch eine Auslaßöffnung an der Brennerdüse, um eine gleichmä­ ßig ausgebildete schützende Luftschleier"blase" für das Plasma während des Brennerbetriebes unter Wasser zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung umfaßt der Lichtbogenplasma-Brenner ein Brennerhauptteil mit einem vorderen Endstück von im wesentli­ chen zylindrischer Konfiguration und eine vom Brennerhauptteil getragene Elektrode, die eine Längsachse und ein zum vorderen Endstück hin sich erstreckendes Entladeendstück aufweist. Auf dem vorderen Endstück des Brennerhauptteils ist nahe am vorde­ ren Entladeendstück der Elektrode eine Düse angeordnet und weist eine Bohrung auf, durch die Plasma ausgestrahlt wird.

Eine Vorrichtung zum Erzeugen des Luftschleiers ist auf der Au­ ßenfläche des Brennerhauptteils angeordnet und erstreckt sich mit Zwischenabstand am vorderen Endstück des Brennerhauptteils entlang, derart, daß eine kreisringförmige Luftkammer begrenzt ist, die sich am vorderen Endstück entlang erstreckt und eine kreisringförmige Auslaßöffnung bildet, die nahe der Düse ange­ ordnet ist. Ein mit großer Geschwindigkeit strömendes Gas wird in die kreisringförmige Luftkammer, im Wirbel nach unten am vorderen Endstück des Brennerhauptteils entlang und durch die Auslaßöffnung eingestrahlt, um einen gleichmäßig ausgebildeten, schützenden Luftschleier für das Plasma während des Unterwas­ serbetriebes des Brenners zu erzeugen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Luftschleier-Vor­ richtung eine zylindrische Hülse, die auf der Außenfläche des Brennerhauptteils angebracht ist. Die Hülse erstreckt sich mit Zwischenabstand am vorderen Endstück des Brennerhauptteils ent­ lang. Über der zylindrischen Hülse ist ein zylindrischer Trag­ körper in Stellung gebracht und am Brennerhauptteil befestigt. Der Tragkörper weist eine kreisringförmige Öffnung von solchen Abmessungen auf, daß sie den hinteren Abschnitt der zylindri­ schen Hülse aufnehmen kann. Es sind Mittel vorgesehen, welche die zylindrische Hülse in der kreisringförmigen Öffnung des zy­ lindrischen Tragkörpers festhalten. Bei einer bevorzugten Aus­ führungsform ist wenigstens ein O-Ring in der Innenfläche des zylindrischen Tragkörpers in Reibeingriff mit der zylindrischen Hülse gehalten.

Die Außenfläche des vorderen Endstücks des Brennerhauptteils ist aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Zwischen der metallischen Außenfläche und dem zylindrischen Tragkörper ist ein Isolator angeordnet, um im Brennerbetrieb einen doppelten Lichtbogen zu verhindern. Eine Luftleitungsmündung durchdringt den zylindrischen Tragkörper und die zylindrische Hülse und en­ det in der kreisringförmigen Luftkammer. Auf dem zylindrischen Tragkörper ist ein Luftanschlußstück angeordnet und steht mit der Luftleitungsmündung in Verbindung, die sich durch den zy­ lindrischen Tragkörper und die zylindrische Hülse erstreckt.

Zwischen der zylindrischen Hülse und der Innenfläche des zylin­ drischen Tragkörpers ist ein vergrößerter Luftsammler begrenzt. Luft wird zuerst in den Luftsammler eingestrahlt, bevor sie in die kreisringförmige Luftkammer gelangt. Die kreisringförmige Luftkammer umfaßt ebenfalls einen vergrößerten Luftsammler, in den Luft eingestrahlt wird, bevor sie durch den kreisringförmi­ gen Luftkanal nach unten gelangt. Die Außenfläche des Brenner­ hauptteils weist eine kreisringförmige Nut auf, die den vergrö­ ßerten Luftsammler bildet.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird während des Brennerbe­ triebes Luft durch den kreisringförmigen Luftkanal hindurch mit einer Geschwindigkeit von 950 bis 4050 m/min abgegeben. Die während des Brennerbetriebs an der Bohrung der Düse errechnete Stromdichte beträgt zwischen 28 und 45 A/mm².

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt eines erfindungsgemä­ ßen Lichtbogenplasma-Brenners und einer Luft­ schleier-Vorrichtung, die beim Unterwasserbrenn­ schneiden verwendet werden, und

Fig. 2 eine Seitenansicht mit einem Teilschnitt verschiedener Bauteile der Luftschleier- Vorrichtung, die an einem Lichtbogenplasma-Brenner anbringbar ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Lichtbogenplasma-Brenner 10 gemäß der Erfindung umfaßt eine Düsen-Baugruppe 12 und eine rohrför­ mige Elektrode 14, die eine Längsachse definiert. Die Elektrode 14 ist vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung her­ gestellt und setzt sich aus einem oberen rohrförmigen Bauteil 15 und einem unteren Bauteil oder Halter 16 zusammen. Das Bau­ teil 15 weist auch einen mit einem Innengewinde versehenen un­ teren Endabschnit 17 auf. Der Halter 16 ist ebenfalls rohrför­ mig ausgelegt und weist unten ein vorderes Endstück und oben ein hinteres Endstück auf. Das vordere Endstück des Halters 16 ist mit einer quergerichteten Endwand verschlossen, die eine äußere Stirnwand 20 bildet. Das hintere Endstück des Halters 16 ist mit einem Außengewinde versehen und in den unteren Endab­ schnitt 17 des oberen rohrförmigen Bauteils 15 eingeschraubt.

Der Halter 16 ist an seinem hinteren Ende offen; der Halter 16 ist somit becherförmig und begrenzt eine innere Vertiefung. In der Vertiefung ist ein Einsatz 28 angeordnet und zur Längsachse gleichachsig ausgerichtet. Der Elektronen emittierende Einsatz 28 besteht aus einem metallischen Werkstoff von relativ gerin­ ger Austrittsarbeit, die vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 2,7 bis etwa 4,2 eV liegt, derart, daß er bei Anlegen eines elektrischen Potentials rasch Elektronen emittiert. Zweckdien­ liche Beispiele solcher Werkstoffe sind Hafnium, Zirkon, Wolf­ ram und Legierungen davon. In der Vertiefung ist gleichachsig um den emittierenden Einsatz 28 eine relativ nichtemittierende Hülse 32 angeordnet, die aus einem metallischen Werkstoff von einer Austrittsarbeit hergestellt ist, die größer als die des Halter-Werkstoffs und auch größer als die des Werkstoffs des emittierenden Einsatzes 28 ist. Weitere Angaben zur Elektrode und zum Einsatz sind in der am 11. Juni 1991 veröffentlichten US-PS 50 23 425 zu finden, die auf den derzeitigen Erwerber der Erfindungsrechte, die ESAB Welding Products, Inc., Florence, South Carolina, USA, übertragen ist, und die durch Verweisung zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist die Elektrode 14 in einem Hauptteil 38 des Lichtbogenplasma-Brenners 10 angeordnet, der Kanäle 40 und 42 für Gas bzw. Flüssigkeit aufweist. Das Brennerhauptteil 38 ist von einem äußeren, isolierten Gehäuse 44 umschlossen. In der Mittelbohrung 48 der Elektrode 14 ist ein Rohr 46 zum Umwälzen eines flüssigen Mediums, z. B. Wasser durch die Elektroden-Struktur 14 aufgehängt. Das Rohr 46 ist von kleinerem Durchmesser als die Mittelbohrung 48, derart, daß ein Raum 49 vorhanden ist, in dem das Wasser nach Abgabe aus dem Rohr 46 strömen kann. Das Wasser strömt von einer nicht dar­ gestellten Quelle durch das Rohr 46, durch den Raum 49 zurück zu einer Öffnung des Brennerhauptteils 38 und in einen nicht dargestellten Ableitungsschlauch. Der Kanal 42 leitet das ein­ gespritzte Wasser zur Düsen-Baugruppe 12, wo es in eine Wirbel­ strömung umgewandelt wird, die, wie weiter unten näher be­ schrieben, das Lichtbogenplasma umhüllen soll.

Der Gaskanal 40 leitet Gas von einer nicht dargestellten zweck­ dienlichen Quelle durch ein herkömmliches Gasablenkteil 54 aus einem beliebigen zweckdienlichen hochwarmfesten Keramik-Werk­ stoff über Einlaßlöcher 58 in eine Gassammelkammer 56. Die Ein­ laßlöcher 58 sind so angeordnet, daß sie das Gas, wie bekannt, im Wirbel in die Sammelkammer 56 einströmen lassen. Das Gas strömt aus der Sammelkammer 56 durch eine Lichtbogen-Einen­ gungsbohrung 60 und durch eine Öffnung 62 der Düsen-Baugruppe 12 aus. Wenn die Elektrode 14 mit dem Brennerhauptteil 38 ver­ bunden ist, hält sie das Gasablenkteil 54 aus Keramik und ein Isolierstück 55 aus hochwarmfestem Kunststoff in Stellung. Das Isolierstück 55 isoliert die Düsen-Baugruppe 12 elektrisch ge­ gen die Elektrode 14. Auf das Brennerhauptteil 38 ist ein äuße­ rer Glockenschirm 64 aufgeschraubt und liegt an der Düsen-Bau­ gruppe 12 an, derart, daß er letztere in Stellung hält und ihre Bauteile schützt. Der Glockenschirm 64 ist aus einem metalli­ schen Werkstoff, z. B. Kupfer hergestellt.

Die Düsen-Baugruppe 12 umfaßt eine Düsenbasis 70 und ein un­ teres Düsenteil 72. Die Düsenbasis 70 ist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt und umfaßt ein im wesentlichen zy­ lindrisches Hauptteil. Die Lichtbogen-Einengungsbohrung 60 durchdringt das untere Ende der Düsenbasis 70 und ist zu der von der Elektrode 14 definierten Längsachse ausgerichtet. Die Lichtbogen-Einengungsbohrung 60 umfaßt einen ersten Bohrungsab­ schnitt 76, der zur Elektrode 14 hin angeordnet ist, und einen zweiten Bohrungsabschnitt 78, der das Austrittsende der Bohrung 60 bildet und von größerem Durchmesser als der erste Bohrungs­ abschnitt 76 ist. Die beiden Bohrungsabschnitte 76 und 78 sor­ gen für eine stärker kontrollierte Plasmaaustrittsströmung.

Die Düsenbasis 70 hat eine angeschrägte, kegelstumpfförmige In­ nenfläche 80, die nach innen, zur Bohrung 60 hin, entgegenge­ setzt zur Elektrode 14, zusammenläuft. Diese Innenfläche 80 engt den Lichtbogen beim Brennschneiden ebenfalls ein. Die Dü­ senbasis 70 weist eine kreisringförmige Montageschulter 86 und eine kegelstumpfförmige Außenfläche 90 auf, die nach unten zur Längsachse, entgegengesetzt zur Elektrode 14, zusammenläuft.

Das untere Düsenteil 72 umfaßt einen zylindrischen Hauptab­ schnitt aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Au­ tomatenmessing. Der obere Abschnitt des unteren Düsenteils 72 weist einen kreisringförmigen Bundabschnitt auf, dessen Abmes­ sungen so sind, daß er mit der auf der Düsenbasis 70 angeordne­ ten Montageschulter 86 im Preßsitz verbunden ist. Das untere Düsenteil 72 umfaßt eine Plasmaaustrittsöffnung 62, die zur Längsachse ausgerichtet und nahe der Bohrung 60 angeordnet ist (sh. Fig. 1). Im Abstand von der kegelstumpfförmigen Außenflä­ che 90 der Düsenbasis 70 ist eine konische Innenfläche angeord­ net, derart, daß ein nach unten geneigter Wasserkanal 98 gebil­ det ist, durch den Wasser aus dem Wasserkanal 42 in Prallberüh­ rung mit dem Plasma gespritzt wird.

Am unteren Düsenteil 72 ist ein keramischer Isolator 110 befe­ stigt und erstreckt sich im wesentlichen an der Außenfläche des unteren Düsenteils 72 entlang. Der Isolator 110 aus Keramik verhindert die Bildung von Doppellichtbogen und schützt das un­ tere Düsenteil 72 gegen Wärme und Plasma, die im Brennerbetrieb erzeugt werden. Der Isolator 110 aus Keramik ist durch einen O- Ring 116 in Stellung gehalten, der an einer Schulter am Isola­ tor 110 und dem unteren Düsenteil 72 anliegt.

Der äußere Glockenschirm 64 weist an seinem vorderen Ende eine Lippe 112 auf (sh. Fig. 1). Die Lippe 112 liegt an einer Schul­ ter 114 am keramischen Isolator 110 an und hält das untere Dü­ senteil 72 und die Düsenbasis 70 mit Anlage am Isolator 110 in Stellung.

Mit der Brenner-Elektrode 14 ist mit einem Werkstück aus Me­ tall, das üblicherweise an Masse angeschlossen ist, eine nicht dargestellte Stromquelle in Serienschaltung verbunden. Im Be­ trieb wird der Plasmalichtbogen an dem emittierenden Einsatz 28 des Brenners 10 erzeugt und wirkt als der Kathodenpol für den Lichtbogen. Das Werkstück ist mit der Anode der Stromversorgung verbunden und unter dem unteren Düsenteil 72 angeordnet. Der Plasmalichtbogen wird in herkömmlicher Weise durch kurzzeitiges Erzeugen eines Zündbogens zwischen der Elektrode 14 und der Dü­ sen-Baugruppe 12 gezündet. Der Lichtbogen wird dann auf das Werkstück übertragen und durch die Düsenbohrungsabschnitte 76, 78 ausgestrahlt. Die Intensität des Bogens wird vergrößert und der Wasserwirbelstrom umhüllt das Plasma beim Durchgang durch die Öffnung 62.

In Fig. 1 und 2 ist die in ihrer Gesamtheit mit 120 bezeichnete Luftschleier-Vorrichtung dargestellt, welche die Erzeugung ei­ nes gleichmäßig ausgebildeten, schützenden Luftschleiers zum Schutz des Plasmas gegen Eindringen von Wasser während des Brennschneidens unter Wasser ermöglicht. Wenngleich die Vor­ richtung 120 als Zubehör zum Brenner 10 beschrieben wird, kann sie auch während der Herstellung des Brenners 10 mit diesem einstückig verbunden ausgeführt werden.

Die Vorrichtung 120 weist einen zylindrischen Tragkörper 122 auf, der vorzugsweise aus verchromtem Messing hergestellt ist. Der zylindrische Tragkörper 122 umfaßt einen geteilten oberen Abschnitt 124, der eine Klemmhülse bildet. Beide Seiten der Klemmhülse werden durch eine nicht dargestellte Innensechskant- Kopfschraube zusammengefügt, um den Tragkörper 122 an der Au­ ßenfläche des Brenners 10, insbesondere des isolierten Gehäuses 44 zu befestigen. Der zylindrische Tragkörper 122 erstreckt sich im Abstand von der Außenfläche des Brennerhauptteils 38 zu dem vom äußeren Glockenschirm 64 gebildeten vorderen Ende hin und bildet am vorderen Ende eine kreisringförmige Öffnung 130.

Zum Isolieren des Tragkörpers 122 gegen die Außenfläche des Brennerhauptteils 38 ist zwischen dem Tragkörper 122 und der metallischen Außenfläche eine Isolierhülse 132 angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Isolierhülse 132 an der Innenfläche des Tragkörpers 122 befestigt. In einer Innennut der Isolierhülse 132 ist ein O-Ring 134 angeordnet, der zur Si­ cherung der Isolierhülse 132 an der Außenfläche des Brenners 10 beiträgt. Die Isolierhülse 132 ist vorzugsweise aus einem nie­ derwertigen Phenolharz hergestellt, und der Tragkörper 122 und die Isolierhülse 132 können auf die Außenseite des Brenners 10 aufgeschoben und gemäß Fig. 1 und 2 in Stellung gebracht sein. In der kreisringförmigen Öffnung 130 des Tragkörpers 122 ist eine zylindrische Hülse 140 aufgenommen, die vorzugsweise aus eloxiertem Aluminium hergestellt ist, derart, daß ein korrosionsfester, kräftiger Aufbau von geringem Gewicht gebil­ det ist. Die Hülse 140 erstreckt sich im Abstand am vorderen Endstück des Brennerhauptteils 38 entlang und begrenzt eine kreisringförmige Luftkammer 142, die sich am vorderen Endstück entlang erstreckt und nahe der Düse 12 eine kreisringförmige Auslaßöffnung 144 bildet. Der hintere Abschnitt der zylindri­ schen Hülse 140 ist in der kreisringförmigen Öffnung 130 aufge­ nommen. In kreisringförmigen Nuten 148 sind zwei O-Ringe 146 angeordnet und tragen zum Halten der Hülse 140 am zylindrischen Tragkörper 122 bei. Die von der Hülse 140 gebildete Auslaßöff­ nung 144 beträgt vorzugsweise etwa 0,8 bis etwa 1,6 mm.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist der untere Abschnitt des zylindrischen Tragkörpers 122 im Durchmesser vergrößert, derart, daß genügend Platz für die angeformten Nuten 148 vorhanden ist, in denen die O-Ringe 146 angeordnet sind. Ausgehend vom diametral vergrößer­ ten Abschnitt erstreckt sich auch wenigstens eine Luftleitungs­ mündung 150 durch den zylindrischen Tragkörper 122 und die zy­ lindrische Hülse 140. Die Luftleitungsmündung 150 endet an der kreisringförmigen Luftkammer 142 und ermöglicht das Einstrahlen eines mit großer Geschwindigkeit strömenden Gases als Wirbel­ strömung in die Luftkammer 142, nach unten am vorderen Endstück des Brennerhauptteils 38 entlang und durch die Auslaßöffnung 144, um einen gleichmäßig ausgebildeten schützenden Luft­ schleier zu erzeugen. Am diametral vergrößerten Abschnitt des Tragkörpers 122 ist ein Luftanschlußstück 152 angeordnet und steht mit der Luftleitungsmündung 150 in Verbindung. In das Luftanschlußstück 152 sind nicht dargestellte Standardschläuche einschraubbar und bilden eine Quelle für mit großer Geschwin­ digkeit strömendes Gas. Zwischen der zylindrischen Hülse 140 und der Innenfläche des zylindrischen Tragkörpers 122 ist ein vergrößerter Luftsammler 154 begrenzt. Somit wird das mit großer Geschwindigkeit strömende Gas zuerst in den Luftsammler 154 eingestrahlt, bevor es in die kreisringförmige Luftkammer 142 gelangt.

Die Luftkammer 142 umfaßt auch einen vergrößerten Luftsammler 156, in den Luft einstrahlt, bevor sie nach unten durch die kreisringförmige Luftkammer 142 strömt. Die Außenfläche des Brennerhauptteils 38 weist eine den vergrößerten Luftsammler 156 bildende kreisringförmige Nut 158 auf. Im Betrieb des Bren­ ners 10 wird das mit großer Geschwindigkeit strömende Gas in die Luftleitungsmündung 150 und die erste Sammelkammer 154 ab­ gegeben. Bei einer bevorzugten Ausbildungsform wird das Gas in der Sammelkammer 154 verteilt und bewegt sich dann durch eine Vielzahl mit gleichem Zwischenabstand angeordneter, sich tan­ gential erstreckender Mündungen 150 in die zweite Sammelkammer 156. Die tangential schräg angeordneten Mündungen 150 erzeugen in der Sammelkammer 156 eine Gaswirbelströmung. Das Gas strömt mit großer Geschwindigkeit im Wirbel durch die kreisringförmige Luftkammer 142 nach unten und wird durch die Auslaßöffnung 144 in Form eines das Plasma schützenden Luftschleiers abgegeben.

Vorzugsweise wird die Luft durch die kreisringförmige Luftkam­ mer 142 mit einer Geschwindigkeit von 950 bis 4050 m/min abge­ geben. Beim Betrieb unter Wasser beträgt die für die Bohrung 60 der Düse 12 errechnete Stromdichte zwischen 28 und 45 A/mm². Das verwirbelte, mit großer Geschwindigkeit strömende Gas bil­ det einen gleichmäßig verteilten Luftschleier, der das Eindrin­ gen von Wasser in die Brennschneidzone verhindert. Außerdem ex­ pandiert das mit großer Geschwindigkeit strömende Gas nach dem Austritt aus der Auslaßöffnung 144 nach außen und bildet einen Luftschleier von größerem Durchmesser, als mit anderen vorge­ schlagenen Lösungen erreicht wurde. Die Tendenz, daß Wasser in den Brennschneidbereich strömt, ist daher geringer als bei an­ deren vorgeschlagenen Brennerkonstruktionen, die im allgemeinen Stand der Technik feststellbar sind.

In den Zeichnungen und der Beschreibung ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben worden. Die dabei verwendeten Fachtermini sind nur als Oberbegriffe und in be­ schreibendem Sinne, aber nicht als Beschränkungen zu verstehen.

Claims (11)

1. Lichtbogenplasma-Brenner zum Unterwasserbrennschneiden, gekennzeichnet durch

• - ein Brennerhauptteil (38) mit einem vorderen Endstück von im wesentlichen zylindrischer Konfiguration,
• - eine vom Brennerhauptteil (38) getragene Elektrode (14), die eine Längsachse und ein zum vorderen Endstück hin sich erstreckendes Entladeendstück aufweist,
• - eine Düse (12), die am vorderen Endstück des Brennerhaupt­ teils (38) nahe am vorderen Entladeendstück der Elektrode (14) angeordnet ist und eine Bohrung (60) aufweist, durch die Plasma ausgestrahlt wird,
• - eine Vorrichtung (120), die auf der Außenfläche des Bren­ nerhauptteils (38) angeordnet ist und sich mit Zwischenab­ stand am vorderen Endstück des Brennerhauptteils (38) ent­ lang erstreckt, derart, daß eine kreisringförmige Luftkam­ mer (142) begrenzt ist, die sich am vorderen Endstück ent­ lang erstreckt und eine kreisringförmige Auslaßöffnung (144) bildet, die nahe der Düse (12) und in radialem Ab­ stand s1 von der Bohrung (60) nach außen angeordnet ist, und
• - Einrichtungen (150, 152, 154, 156) zum Einstrahlen eines mit großer Geschwindigkeit strömenden Gases in die kreis­ ringförmige Luftkammer (142), im Wirbel nach unten am vor­ deren Endstück des Brennerhauptteils (38) entlang und durch die Auslaßöffnung (144), um einen gleichmäßig ausgebildeten und verwirbelten, schützenden Luftschleier für das Plasma während des Unterwasserbetriebs des Brenners (10) zu erzeu­ gen.

2. Lichtbogenplasma-Brenner zum Unterwasserbrennschneiden, gekennzeichnet durch

• - ein Brennerhauptteil (38) mit einem vorderen Endstück von im wesentlichen zylindrischer Konfiguration,
• - eine vom Brennerhauptteil (38) getragene Elektrode (14), die eine Längsachse und ein zum vorderen Endstück hin sich erstreckendes Entladeendstück aufweist,
• - eine Düse (12), die am vorderen Endstück des Brennerhaupt­ teils (38) nahe dem vorderen Entladeendstück der Elektrode (14) angeordnet ist und eine Bohrung (60) aufweist, durch die Plasma ausgestrahlt wird,
• - ein zylindrischer Tragkörper (122), der auf der Außenfläche des Brennerhauptteils (38) befestigt ist und sich im Ab­ stand zur Außenfläche des Brennerhauptteils (38) zum vorde­ ren Endstück hin erstreckt und eine kreisringförmige Öff­ nung (130) bildet,
• - eine zwischen dem zylindrischen Tragkörper (122) und der Außenfläche des Brennerhauptteils (38) angeordnete Isolier­ hülse (132) zum Isolieren des zylindrischen Tragkörpers (122) gegen die Außenfläche,
• - eine zylindrische Hülse (140) mit einem vorderen und einem hinteren Abschnitt, bei der der hintere Abschnitt in der kreisringförmigen Öffnung (130) des zylindrischen Tragkör­ pers (122) aufgenommen ist, wobei sich die zylindrische Hülse (140) mit Zwischenabstand am vorderen Endstück des Brennerhauptteils (38) entlang erstreckt, derart, daß sie eine kreisringförmige Luftkammer (142) begrenzt, die sich am vorderen Endstück entlang erstreckt und eine kreisring­ förmige Auslaßöffnung (144) bildet, die nahe der Düse (12) und mit radialem Abstand von der Bohrung (60) nach außen angeordnet ist,
• - eine Luftleitung (150), welche sich durch die zylindrische Hülse (140) erstreckt und an der kreisringförmigen Luftkam­ mer (142) endet, um mit großer Geschwindigkeit strömendes Gas verwirbelt in die kreisringförmige Luftkammer (142), am vorderen Endstück des Brennerhauptteils (38) entlang nach unten und durch die Auslaßöffnung (144) einstrahlen zu las­ sen, um einen gleichmäßig ausgebildeten und verwirbelten, schützenden Luftschleier für das Plasma während des Unter­ wasserbetriebs des Brenners (10) zu erzeugen.

3. Lichtbogenplasma-Brenner gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Zurückhalten der zylindrischen Hülse (140) in der kreisringförmigen Öffnung (130) des zylindrischen Trag­ körpers (122) wenigstens einen O-Ring (146) umfaßt, der in der Innenfläche des zylindrischen Tragkörpers (122) in Reibverbin­ dung mit der zylindrischen Hülse (140) gehalten ist.

4. Lichtbogenplasma-Brenner nach Anspruch 2 oder 3, mit einem am zylindrischen Tragkörper (122) angeordneten Luftanschlußstück (152), dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitung (150, 154) sich durch den zylindrischen Trag­ körper (122) erstreckt und mit dem Luftkanal (142) in Verbin­ dung steht.

5. Lichtbogenplasma-Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen vergrößerten Luftsammler (154), der von der zylindrischen Hülse (140) und der Innenfläche des zylindrischen Tragkörpers (122) begrenzt ist und in den das mit großer Geschwindigkeit strömende Gas zuerst eingestrahlt wird, bevor es in die kreis­ ringförmige Luftkammer (142) gelangt.

6. Lichtbogenplasma-Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisringförmige Luftkammer (142) einen vergrößerten Luft­ sammler (156) aufweist, in den Luft eingestrahlt wird, bevor sie durch den kreisringförmigen Luftkanal nach unten gelangt.

7. Lichtbogenplasma-Brenner gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Brennerhauptteils (38) eine kreisringför­ mige Nut (158) aufweist, die den vergrößerten Luftsammler (156) bildet.

8. Lichtbogenplasma-Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Luft durch den kreisringförmigen Luftkanal hindurch mit einer Geschwindigkeit von 950 bis 4050 m/min abgegeben wird.

9. Lichtbogenplasma-Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Bohrung (60) der Düse (12) errechnete Stromdichte zwischen 28 und 45 A/mm² beträgt.

10. Lichtbogenplasma-Brenner zum Unterwasserbrennschneiden, gekennzeichnet durch

• - ein Brennerhauptteil (38) mit einem vorderen Endstück von im wesentlichen zylindrischer Konfiguration,
• - eine vom Brennerhauptteil (38) getragene Elektrode (14) mit einem metallischen, rohrförmigen Halter (16) von überwie­ gender Längserstreckung, die eine Längsachse und ein vor­ deres Entladeendstück aufweist, wobei der Halter (16) eine Stirnfläche (20) und eine in der Stirnfläche (20) an der Längsachse entlang ausgebildete Vertiefung aufweist, und in der Vertiefung ein bei Anlegen eines elektrischen Potenti als Elektronen emittierender Einsatz (28) angeordnet ist,
• - eine Düse (12), die am vorderen Endstück des Brennerhaupt­ teils (38) nahe dem vorderen Entladeendstück der Elektrode (14) angeordnet ist und umfaßt:
  • - eine Düsenbasis (70), die nahe dem Entladeendstück der Elektrode (14) angeordnet ist und eine ke­ gelstumpfförmige Außenfläche (90), die zur Längsachse hin, entgegengesetzt zur Elektrode (14), zusammenläuft, und eine Bohrung aufweist, durch die Plasma ausgestrahlt wird, und
  • - ein unteres Düsenteil (72), das nahe der Düsenbasis (70) auf der der Elektrode (14) abgewandten Seite angeordnet ist und eine untere Entladeöffnung (60) aufweist, die zur Längsachse ausgerichtet und nahe der Bohrung angeordnet ist, und mit einer Innenflä­ che, die von der kegelstumpfförmigen Außenfläche (90) der Düsenbasis (70) Abstand hat, derart, daß ein Wasserkanal (98) gebildet ist,
• - eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Lichtbo­ gens, der sich von der Elektrode (14) und durch die Bohrung und die Entladeöffnung (60) zu einem am unteren Düsenteil (72) angeordneten Werkstück erstreckt,
• - eine Vorrichtung zum Einleiten eines Flüssigkeitsstrahls in den Wasserkanal (98) und von dort nach außen, damit das Plasma beim Durchtritt durch die Bohrung und die Entlade­ öffnung (60) umhüllt wird,
• - eine Vorrichtung (120), die auf der Außenfläche des Bren­ nerhauptteils (38) angeordnet ist und sich mit Zwischenab­ stand am vorderen Endstück des Brennerhauptteils (38) ent­ lang erstreckt, derart, daß eine kreisringförmige Luftkam­ mer (142) begrenzt ist, die sich am vorderen Endstück ent­ lang erstreckt und eine kreisringförmige Auslaßöffnung (144) bildet, die nahe der Düse (12) und in radialem Ab­ stand von der Bohrung (60) nach außen angeordnet ist, und
• - Einrichtungen (150, 152, 154, 156) zum Einstrahlen eines mit großer Geschwindigkeit strömenden Gases in die kreis­ ringförmige Luftkammer (142), im Wirbel nach unten am vor­ deren Endstück des Brennerhauptteils (38) entlang und durch die Auslaßöffnung (144), um einen gleichmäßig ausgebildeten und verwirbelten, schützenden Luftschleier für das Plasma während des Unterwasserbetriebes des Brenners (10) zu er­ zeugen.

11. Vorrichtung zum Anbringen am vorderen Abschnitt eines Lichtbogenplasma-Brenners zur Ermöglichung des Unterwas­ serbrennschneidens, gekennzeichnet durch

• - einen zylindrischen Tragkörper (122), der an der Außenflä­ che eines Brennerhauptteils (38) so befestigbar ist, daß er sich im Abstand von der Außenfläche des Brennerhauptteils (38) zum vorderen Endstück erstreckt, derart, daß eine kreisringförmige Öffnung (130) gebildet ist,
• - eine Isolierhülse (132), die sich zwischen dem zylindri­ schen Tragkörper (122) und der Außenfläche des Brenner­ hauptteils (38) anordnen läßt, um den zylindrischen Trag­ körper (122) von der Außenfläche des Brennerhauptteils (38) zu isolieren,
• - eine zylindrische Hülse (140) mit einem vorderen und einem hinteren Abschnitt, bei der der hintere Abschnitt in der kreisringförmigen Öffnung (130) des zylindrischen Tragkör­ pers (122) so aufnehmbar ist, daß die zylindrische Hülse (140) sich mit Zwischenabstand am vorderen Endstück des Brennerhauptteils (38) entlang erstreckt, derart, daß eine kreisringförmige Luftkammer (142) gebildet ist, die sich am vorderen Endstück entlang erstreckt und eine kreisringför­ mige Auslaßöffnung (144) bildet, die an der Düse (12) und mit radialem Abstand von der Bohrung (60) nach außen ange­ ordnet ist, und
• - eine Luftleitung (152, 150), die sich durch den zylindri­ schen Tragkörper (122) und die zylindrische Hülse (140) er­ streckt und an der Innenfläche der zylindrischen Hülse (140) endet, um das Einstrahlen eines mit großer Geschwin­ digkeit strömenden Gases im Wirbel in die kreisringförmige Luftkammer (142) nach unten an der Außenfläche des Brenner­ hauptteils (38) entlang und durch die Auslaßöffnung (144) zu ermöglichen, um einen gleichmäßig ausgebildeten und ver­ wirbelten, schützenden Luftschleier für das beim Unterwas­ serbrennschneiden abgegebene Plasma zu erzeugen.