DE1256817B

DE1256817B - Process for increasing the nozzle service life in high power density arc plasma torches and circuitry for carrying out the process

Info

Publication number: DE1256817B
Application number: DE1966K0059070
Authority: DE
Inventors: Lothar Haase; Rudolf Pochert
Original assignee: Kjellberg Elektroden and Maschinen GmbH
Current assignee: Kjellberg Elektroden and Maschinen GmbH Finsterwalde
Priority date: 1966-04-22
Filing date: 1966-04-22
Publication date: 1967-12-21

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

B23kB23k

Deutsche Kl.: 21h-30/02German class: 21h-30/02

Nummer: 1256817Number: 1256817

Aktenzeichen: K 59070 VIII d/21 hFile number: K 59070 VIII d / 21 h

Anmeldetag: 22. April 1966 Filing date: April 22, 1966

Auslegetag: 21. Dezember 1967Opened on: December 21, 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Düsenstandzeit bei Lichtbogen-Plasmabrennern hoher Leistungsdichte und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for increasing the nozzle service life in arc plasma torches high power density and a circuit arrangement for carrying out the method.

Lichtbogen-Plasmabrenner sind bekannt und arbeiten nach dem Prinzip eines ionisierten Gaslichtbogens, mit dem hohe Temperaturen und Leistungsdichten zum Bearbeiten von Werkstoffen, vor allem Metallen, erreicht werden können. Am häufigsten werden Lichtbogen-Plasmabrenner zum Trennen von Werkstücken verwendet.Arc plasma torches are known and work on the principle of an ionized gas arc, with the high temperatures and power densities for processing materials, especially Metals, can be achieved. The most common use of arc plasma torches is to cut Workpieces used.

Es ist beim Betrieb eines Lichtbogen-Plasmabrenners hinsichtlich der elektrischen Schaltungsweise die sogenannte Düsen- und Werkstückpolung bekannt. Unter der Düsenpolung versteht man die eine Betriebsweise, bei der der elektrische Lichtbogen zwischen der Katode und der Düse brennt, d. h., die Katode ist mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die Düse mit dem Pluspol. Bei der Werkstückpolung ist das zu bearbeitende Werkstück mit dem Pluspol verbunden. Dies ist jedoch nur bei elektrisch leitfähigen Werkstoffen möglich. Weiterhin ist es bekannt, bei der Zündung eines Lichtbogen-Plasmabrenners zunächst einen Hilfslichtbogen, auch als Zündlichtbogen oder Pilotbogen bezeichnet, zu zünden, der zwischen Düse und Katode mit kleiner Leistung brennt und bei Annäherung an das Werkstück in den Hauptlichtbogen übergeht, der dann mit großer Leistung zwischen der Katode und dem Werkstück brennt.It is in the operation of a plasma arc torch in terms of electrical circuitry the so-called nozzle and workpiece polarity known. The nozzle polarity is one of them Mode of operation in which the electric arc burns between the cathode and the nozzle, d. h., the The cathode is connected to the negative pole of the power source and the nozzle to the positive pole. At the workpiece polarity the workpiece to be machined is connected to the positive pole. However, this is only for electrical conductive materials possible. It is also known to ignite a plasma arc torch initially an auxiliary arc, also referred to as a pilot arc or pilot arc, to ignite, which burns between the nozzle and cathode with low power and when approaching the workpiece passes into the main arc, which then with great power between the cathode and the The workpiece is on fire.

Während des Anschneidvorganges bzw. des Einstechvorganges über dem Werkstück unterliegt die Düse der größten Belastung. Oft treten dabei Überschläge (Doppellichtbogen, d. h„ ein Teil der Leistung fließt über die Düse) zwischen Katode und Düse auf, die die Düse zerstören. Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist es bekanntgeworden, beim Anschneiden oder Einstechen den Hauptlichtbogen zunächst mit verminderter Leistung einzuleiten und erst bei Eintreffen des Zusatzgases auf die volle Leistung zu schalten.During the cutting process or the piercing process above the workpiece, the Nozzle of the greatest load. Flashovers often occur (double arcing, i.e. “part of the power flows through the nozzle) between the cathode and the nozzle, which destroys the nozzle. To avoid this disadvantage it has become known to initially use the main arc when cutting or piercing to initiate reduced power and only when the additional gas arrives to the full power switch.

Die Erfahrung beim Anschneiden hat gezeigt, daß eine bestimmte Mindestanschneidleistung vorhanden sein muß, um ein sicheres Anschneiden zu erreichen.Experience with cutting has shown that there is a certain minimum cutting performance must be in order to achieve a safe cutting.

Soll nun auf dem Werkstück eingestochen werden, so ist die obenerwähnte Anschneidleistung hierfür noch zu hoch, so daß wiederum Überschläge zwischen der Katode und der Düse auftreten können, welche die Düse beschädigen, da beim Zünden des Pilotbogens der Lichtbogen-Plasmabrenner bereits über dem Werkstück steht und der Hauptlichtbogen unmittelbar darauf eingeleitet wird.If the workpiece is now to be pierced, the above-mentioned cutting performance is required for this still too high so that flashovers can occur between the cathode and the nozzle, which damage the nozzle, since the plasma arc torch is already ignited when the pilot arc is ignited is above the workpiece and the main arc is initiated immediately afterwards.

Verfahren zur Erhöhung der Düsenstandzeit
bei Lichtbogen-Plasmabrennern
hoher Leistungsdichte und Schaltungsanordnung zur Durchführung des VerfahrensProcedure for increasing nozzle life
with arc plasma torches
high power density and circuit arrangement for carrying out the method

Anmelder:Applicant:

Kjellberg Elektroden & Maschinen G. m. b. H.Kjellberg Electrodes & Machines G. m. B. H.

in Verwaltung,in administration,

Finsterwalde N./L., Breitscheidstr. 61-63Finsterwalde N./L., Breitscheidstr. 61-63

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Lothar Haase,Lothar Haase,

Rudolf Pochert, DresdenRudolf Pochert, Dresden

Die Erfindung hat den Zweck, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik die Düsenstandzeit bei Lichtbogen-Plasmabrennern zu erhöhen.The invention has the purpose of avoiding the disadvantages of the prior art, the nozzle service life increase in plasma arc torches.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl ein sicheres Anschneiden als auch das Einstechen ohne Beschädigung der Düse zu gewährleisten.The invention is based on the task of both safe cutting and piercing without damaging the nozzle.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Hauptlichtbogen beim Einstechen (über einem Werkstück) mit geringerer Leistung als beim Anschneiden eingeleitet wird und daß die Umschaltung auf die jeweils erforderliche Leistung beim Anschneiden bzw. Einstechen von Hand oder automatisch vorgenommen wird.The object is achieved in that, according to the invention, the main arc during piercing (via a workpiece) is initiated with less power than when cutting and that the switchover to the required performance when cutting or piercing by hand or automatically is made.

Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß erfindungsgemäß im Hauptstromkreis oder im Steuerstromkreis der Stromquelle des Plasmabrenners ein überbrückbarer Widerstand eingeschaltet ist.The circuit arrangement for performing the method is that according to the invention in Main circuit or a bridgeable resistor in the control circuit of the power source of the plasma torch is switched on.

Es ist besonders vorteilhaft, daß der Widerstand durch einen Arbeitskontakt eines Stromrelais überbrückt wird, welches in den Stromkreis des Pilotbogens eingeschaltet ist.It is particularly advantageous that the resistor is bridged by a normally open contact of a current relay which is switched into the circuit of the pilot arc.

Weiterhin ist es möglich, daß der Widerstand durch einen Arbeitskontakt eines Spannungsrelais überbrückt wird, das parallel zu dem Vorwiderstand des Pilotbogens eingeschaltet ist.It is also possible that the resistance is triggered by a normally open contact of a voltage relay is bridged, which is switched on in parallel to the series resistor of the pilot arc.

Die technisch-ökonomischen Vorteile, insbesondere der technische Fortschritt der Erfindung, bestehen darin, daß die Düsenstandzeit nicht mehr durch elektrische Überschläge begrenzt wird, sondern nur durch gelegentliche Unachtsamkeiten des Bedie-The technical and economic advantages, in particular the technical progress of the invention, exist in that the nozzle service life is no longer limited by electrical flashovers, but only through occasional carelessness of the operator

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nungspersonals, die darin bestehen, daß beim Ab- in der Hauptstromquelle begrenzt werden, bis dasmanagement staff, which consist in the fact that the main power source is limited until the

kippen eines abgetrennten Werkstückes die Düse be- Zusatzgas an der Entladung teilnimmt.a separated workpiece tilt the nozzle when additional gas takes part in the discharge.

rührt wird und ein elektrischer Kurzschluß entsteht. Wasserstoffgas als Zusatzgas bildet ein Plasma mitis stirred and an electrical short circuit occurs. Hydrogen gas as an additional gas forms a plasma with

An Hand eines Ausführungsbeispieles und der hohem Energieinhalt und hohem elektrischen WiderZeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. 5 stand, so daß der Strom des Plasmastrahles 4' wieder In der Zeichnung zeigt kleiner wird. Ein Verfahren zur Realisierung einerThe invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment and the high energy content and high electrical resistance. 5 stood so that the stream of the plasma jet 4 'again In the drawing shows becomes smaller. A method for realizing a

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung mit dem Haupt- solchen Einleitungsmethode des Hauptlichtbogens istF i g. 1 is a circuit arrangement with the main such initiation method of the main arc

Stromkreis und dem Pilotstromkreis und in den Pilot- in der Patentanmeldung beschrieben.Circuit and the pilot circuit and described in the pilot in the patent application.

Stromkreis eingeschalteten Stromrelais, Beim Einstechen besteht nun der Nachteil, daß derCircuit switched on current relay, When piercing there is now the disadvantage that the

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung des Haupt-und io Stromanstieg im Hauptstromkreis schneller erfolgt2 shows a circuit arrangement of the main and io current rise in the main circuit takes place more quickly

des Pilotstromkreises mit in den Pilotstromkreis ein- als beim Anschneiden, da sich der Hauptlichtbogenof the pilot circuit with the pilot circuit than when cutting, since the main arc

geschaltetem Spannungsrelais, beim Anschneiden an der Werkstückkante ausbildetswitched voltage relay, when cutting at the edge of the workpiece

Fi g. 3 eine weitere Variante der erfindungsge- und von deren Länge abhängig ist (vgl. F i g. 3), beimFi g. 3 is a further variant of the invention and is dependent on its length (see FIG. 3)

mäßen Schaltungsanordnung mit Darstellung des Einstechen dagegen der Hauptlichtbogen auf derMass circuit arrangement with representation of the piercing, however, the main arc on the

Pilotbogens und des Hauptlichtbogens bei einem An- 15 Oberfläche des Werkstückes ansetzt und damit sofortThe pilot arc and the main arc start at 15 surface of the workpiece and thus immediately

schneidvorgang. ein genügender elektrischer Kontakt mit dem Werk-cutting process. sufficient electrical contact with the

Der Anschneidvorgang eines Lichtbogen-Plasma- stück vorhanden ist. Mit der Erfindung wird nun er-The cutting process of an arc plasma piece is present. With the invention is now

brenners durchläuft etwa die folgenden Phasen. reicht, daß die Leistung des Hauptlichtbogens beimBrenner goes through roughly the following phases. is enough that the power of the main arc at

In den F i g. 1 bis 3 sind elektrische Schaltschemen Einstechen stärker vermindert ist als beim Anschneivon werkstückgepolten Lichtbogen-Plasmabrenner- 20 den. Zur Umschaltung der Leistung beim Anschnei-Schneidanlagen wiedergegeben. Es ist üblich, zu- den bzw. Einstechen wird erfindungsgemäß der Pilotnächst einen Hilfslichtbogen oder sogenannten Pilot- bogenstrom als Kriterium verwendet, da beim Anbogen zu zünden. Dieser Pilotbogen besitzt eine schneiden der Pilotbogen längere Zeit als beim kleine Leistung, die gemäß F i g. 1 von einer getrenn- Einstechen brennt. Im Pilotbogenstromkreis der ten Pilotstromquelle 5 oder gemäß F i g. 2 und 3 über 25 F i g. 1 (gestrichelt dargestellt), der von der Piloteinen Vorwiderstand 14 von der Hauptlichtbogen- bogenstromquelle 5 gespeist wird, ist ein Stromstromquelle 9 geliefert wird, und er brennt zwischen relais 6 mit Anzugsverzögerung eingeschaltet. Über der Katode 1 und der Düse 3. Der aus der Düse aus- einen Arbeitskontakt 7 ist das Stromrelais 6 in der tretende Pilotbogen stellt bei Berührung des Werk- Lage, einen Vorwiderstand 8 im Steuerstromkreis der Stückes eine elektrische Verbindung her und leitet 30 Hauptlichtbogenstromquelle 9 kurzzuschließen, wenn damit den Hauptlichtbogen ein. es längere Zeit vom Pilotbogenstrom durchflossenIn the F i g. 1 to 3 are electrical switching schemes, grooving is more reduced than with cutting workpiece-polarized arc plasma torch 20. For switching the power of the chopping-cutting systems reproduced. According to the invention, it is customary for the pilot to be added or pierced next an auxiliary arc or a so-called pilot arc current is used as a criterion, since it is bent to ignite. This pilot sheet has a longer cutting time than the pilot sheet small power, which according to FIG. 1 of a separate piercing burns. In the pilot arc circuit of the th pilot current source 5 or according to FIG. 2 and 3 over 25 F i g. 1 (shown in phantom), the pilot line The series resistor 14 is fed by the main arc current source 5, is a current current source 9 is supplied, and it burns between relay 6 switched on with a pull-in delay. Above the cathode 1 and the nozzle 3. The working contact 7 from the nozzle is the current relay 6 in the stepping pilot arc provides a series resistor 8 in the control circuit when the work position is touched Piece makes an electrical connection and conducts 30 main arc power source 9 short-circuit when so that the main arc starts. it was traversed by the pilot arc for a long time

Die Katode 1 des Plasmabrenners ist mit dem wird und seinen Anker anzieht. Der Steuerstromkreis Minuspol der Stromquelle und das Werkstück 2 mit der Hauptlichtbogenstromquelle 9 wird von einer dem Pluspol der Stromquelle verbunden. Der Haupt- Steuerstromquelle 10 gespeist. Durch den Regellichtbogen brennt also zwischen der Katode 1 und 35 widerstand 11 im Steuerstromkreis der Hauptlichtdem Werkstück 2. Wenn der Hauptlichtbogen durch bogenstromquelle 9 wird die Leistung des Hauptdie Plasmaflamme des Pilotbogens gezündet wird, lichtbogens bestimmt. Je nach Stellung des Widersucht er sich den Weg des geringsten elektrischen Standes 11 wird der Steuerstrom, z.B. der Erreger-Widerstandes. Dieser Weg führt dabei über die strom bei Umformern oder der Vormagnetisierungs-Düse 3. Das Arbeitsgas des Plasmabrenners, z. B. 40 strom bei Transduktoren, verkleinert oder vergrößert. Argon, das zunächst das Entladungsplasma liefert, In F i g. 1 ist gezeigt, wie der Vorwiderstand 8 ha bildet einen höheren elektrischen Widerstand als die Steuerstromkreis eines Transduktor 12 eingeschaltet Strecke: Katode 1—Düse 3—Werkstück 2. Das ist.The cathode 1 of the plasma torch is connected to it and attracts its armature. The control circuit Negative pole of the power source and the workpiece 2 with the main arc power source 9 is from a connected to the positive pole of the power source. The main control power source 10 is fed. Through the standard arc So burns between the cathode 1 and 35 resistor 11 in the control circuit of the main Lichtdem Workpiece 2. When the main arc through arc power source 9, the power of the main die Plasma flame of the pilot arc is ignited, arc determined. Depending on the position of the contradiction he the path of the lowest electrical level 11 is the control current, e.g. the excitation resistance. This path leads via the current in converters or the premagnetization nozzle 3. The working gas of the plasma torch, e.g. B. 40 current in transducers, reduced or increased. Argon, which initially supplies the discharge plasma, in FIG. 1 shows how the series resistor is 8 ha forms a higher electrical resistance than the control circuit of a transductor 12 switched on Line: cathode 1 — nozzle 3 — workpiece 2. That is.

nach der Einleitung des Hauptlichtbogens in den Im folgenden soll nun der weitere Wirkungsmecha-Entladungsraum einströmende Zusatzgas, meist 45 nismus der Erfindung beschrieben werden.
Wasserstoff, bildet zusammen mit dem Arbeitsgas Bei einem Anschneidvorgang befindet sich der das Entladungsplasma, welches unter gleichzeitiger Plasmabrenner abseits vom Werkstück 2 (vgl. Fig. 3). Einschnürung durch die Düse 3 zu dem Werkstück 2 Nach der Zündung des Pilotbogens wird der Plasmagelangt, brenner auf das Werkstück zubewegt. Dieser Vor-After the initiation of the main arc in the In the following, the further action mechanism-discharge space inflowing additional gas, mostly 45 mechanism of the invention will now be described.
Hydrogen, forms together with the working gas. During a cutting process, the discharge plasma is located, which, with a simultaneous plasma torch, is located away from the workpiece 2 (cf. FIG. 3). Constriction through the nozzle 3 to the workpiece 2 After the ignition of the pilot arc, the plasma torch is moved towards the workpiece. This pro

In den Zuleitungen für das Arbeitsgas und das Zu- 50 gang kann mehrere Sekunden in Anspruch nehmen, satzgas ist jeweils ein Magnetventil angeordnet, das so daß sich der Pilotbogen und damit der Plasmaden Gasstrom in den Entladungsraum freigibt. Bei strahl 4 völlig ausbildet. In dieser Zeitspanne kommt Beginn einer Zündung wird zunächst das Magnet- auch das anzugsverzögerte Stromrelais 6, das von ventil für das Arbeitsgas betätigt und der Pilotbogen dem Pilotstrom durchflossen wird zum Anzug, und gezündet. Dabei bildet sich ein elektrisch leitfähiger 55 es schließt mit seinem Arbeitskontakt 7 den Vor-Plasmastrahl 4 aus, wie er in F i g. 3 gezeigt ist. Wird widerstand 8 kurz. Damit wird der Strom im Steuernun z. B. bei einem Anschneidvorgang der Plasma- kreis der Hauptlichtbogenstromquelle größer und dabrenner an das Werkstück angenähert, so bildet sich mit auch die Leistung des Hauptlichtbogens für den der Hauptlichtbogen aus, der den Plasmastrahl 4' er- Anschneidvorgang. Nachdem der Plasmastrahl 4 das zeugt. Die Bildung des Hauptlichtbogens ist mit 60 Werkstück 2 berührt hat, wird der Hauptlichtbogen einem raschen Stromanstieg im Hauptstromkreis ver- eingeleitet, und der Pilotbogen erlischt oder wird abbunden. Dieser Stromanstieg löst das Magnetventil geschaltet. Dadurch öffnet sich der Arbeitskontakt 7 für den Eintritt des Zusatzgases aus. wieder, und der Plasmabrenner ist für einen weiterenIn the supply lines for the working gas and the access can take several seconds, set gas is each arranged a solenoid valve so that the pilot arc and thus the plasma gas flow into the discharge space is released. Fully trained at ray 4. During this period of time, an ignition starts, the solenoid and the delayed-on current relay 6, which is actuated by the valve for the working gas and the pilot arc flows through the pilot current, is activated and activated. In the process, an electrically conductive 55 is formed; with its working contact 7, it excludes the pre-plasma jet 4, as shown in FIG. 3 is shown. Will resistance 8 short. So that the current in the control unit z. If, for example, the plasma circuit of the main arc power source is larger during a cutting process and the torch is closer to the workpiece, then the power of the main arc for the main arc that generates the plasma jet 4 'is also formed. After the plasma jet 4 produces that. The formation of the main arc is with 60 workpiece 2 touched, the main arc is initiated with a rapid current increase in the main circuit, and the pilot arc is extinguished or is terminated. This increase in current triggers the solenoid valve switched. This opens the normally open contact 7 for the additional gas to enter. again, and the plasma torch is for another

In der Zeit zwischen der Zündung des Hauptlicht- Anschneidvorgang betriebsbereit,
bogens und dem Eintreffen des Zusatzgases brennt 6g Bei einem Einstechvorgang befindet sich der der Hauptlichtbogen also über die Düse 3, die aus Plasmabrenner, wie bereits erläutert, über dem Werk-Kupfer besteht, und zerstört sie. Damit bei diesem stück2 (vgl. Fig. 1 und 2). Der Pilotbogen geht da-Stromanstieg die Düse 3 nicht zerstört wird, muß er mit sofort in den Hauptlichtbogen über. Dies ge-Ready for operation in the time between the ignition of the main light cutting process,
arc and the arrival of the additional gas burns 6g. During a piercing process, the main arc is located above the nozzle 3, which, as already explained, consists of a plasma torch above the factory copper, and destroys it. So with this piece2 (see. Fig. 1 and 2). The pilot arc goes because the current rise and nozzle 3 is not destroyed, it must immediately transfer to the main arc. This

Claims

happens in a very short time, so that the current relay 6 does not pick up due to its pick-up delay and thus the series resistor 8 in the control circuit of the main arc power source 9 remains effective. This means that the initial power of the main arc when piercing is lower than when it is first cut. According to FIG. 2, most plasma fusion cutting systems use a resistor 14 to limit the pilot arc current. Instead of the current relay 6, a normal voltage relay 13 with a capacitor 16 connected in parallel and a series resistor 15 is advantageously connected in parallel with the resistor 14 in order to achieve the necessary pull-in delay. which takes over the ig function of the current relay 6. In a further embodiment according to FIG. 3, the controllable resistor 11 and the series resistor 8 are switched on in the main arc circuit, and the latter is switched on by the normally open contact 7 of the current relay 6 switched on in the pilot circuit or one according to FIG. 2 switched on voltage relay 13 short-circuited. The resistors 11 and 8 and the normally open contact 7 are to be dimensioned accordingly, as they have to carry the entire current of the main arc. Patent claims:

1. Process for increasing the nozzle service life in high power density arc plasma torches, characterized in that the main arc when piercing over a workpiece with less power than when cutting is initiated and that the switch to the required power at Cutting or piercing is carried out by hand or automatically.

2. Circuit arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that that in the main circuit or in the control circuit of the plasma torch a bypassable Series resistor (8) is switched on.

3. Circuit arrangement according to spoke 2, characterized in that the series resistor (8) is bridged by a normally open contact (7) of a delayed current relay (6), which is in the Circuit of the pilot arc is switched on.

4. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the series resistor (8) is bridged by a normally open contact (7) of a voltage relay (13), which is parallel to the series resistor (15) is switched on in the circuit of the pilot arc.

1 sheet of drawings

709 709/388 12.67 Q Bundesdruckerei Berlin