DE1271855B - Einrichtung zum Schneiden von Werkstuecken mittels eines Plasmastrahls - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

B23k

Deutschem.: 21h-30/02

Nummer: 1271855

Aktenzeichen: P 12 71 855.7-34 (M 75319)

Anmeldetag: 26. August 1967

Auslegetag: 4. Juli 1968

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schneiden von Werkstücken mittels eines Plasmastrahls, welcher durch einetl zwischen einer Elektrode und dem Werkstück aufrechterhaltenen elektrischen Lichtbogen und einem aus einer Düse austretenden, durch den Lichtbögen ionisierten GaS₁ gebildet wird.

Es ist bekannt, zum Trennen von leitenden Metallen, insbesondere von austenitischen Stählen und Nichteisenmetallen, Plasmageräte einzusetzen. Mit der hohen Temperatur des Plasmastrahls wird der Werkstoff geschmolzen und durch die kinetische Energie des Plasmastrahls das flüssige Gut aus der Schnittfuge geblasen. Def Plasmaschnitt soll mit möglichst hoher Schnittgeschwindigkeit erfolgen bei gleichzeitiger Erzielung einer optimalen Schnittqualität, die sich durch möglichst senkrecht verlaufende Schnittkanten auszeichnet.

Man hat mit recht gutem Erfolg versucht, dieses Ziel durch Verwendung einer einengenden Kupferdüse mit zylindrischer Bohrung zu erreichen, in der sich das um den Lichtbogen geführte Gas explosionsartig erwärmt und dann mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse austritt. Eine weitere Verbesserung des bekannten Verfahrens brachte die Einführung einer zur Düsenöffnung hin konisch verlaufenden, sich verengenden Düsenbohrung. Sie bewirkt eine Geschwindigkeitserhöhung der austretenden heißen Gase, bedingt durch die Querschnittsverringerung.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, die Schnittgeschwindigkeit bei gleichbleibender Schnittiefe weiterhin zu erhöhen bzw. größere Schnittiefen bei gleichbleibender Schnittgeschwindigkeit zu erzielen. Zur Lösung des Problems wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Düse in an sich bekannter Weise nach Art einer Lavaldüse ausgebildet ist.

Durch diese Gestaltung der Düse kann eine besonders große Austrittsgeschwindigkeit, auch Überschallgeschwindigkeit, erreicht werden. Auf Grund der hohen Austrittsgeschwindigkeit hat sich überraschenderweise gezeigt, daß der Lichtbogen verlängert wird und sein Ansatzpunkt in der Schnittfuge des Werkstückes sich wesentlich tiefer befindet als bei den bisher gebräuchlichen zylindrischen oder sich zum Austritt hin verengenden Düsen. Durch diese Verlängerung des Lichtbogens ist es möglich, eine wesentlich größere Gasmenge in der gleichen Zeiteinheit zu dissoziieren und ionisieren, so daß das Wärmeangebot an der Schnittstelle größer ist als bei den Brennern nach dem Stand der Technik. Es ist demnach durch die Erfindung vorteilhaft möglich, dem Werkstück eine größere Energiemenge pro Zeit-

Einrichtung zum Schneiden von Werkstücken
mittels eines Plasmastrahls

Anmelder:

MESSER GRIESHEIM G. m. b. H.,
6000 Prankfurt, Hanauer Landstr. 300

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Dr. Fritz Bock, 6375 Oberstedten;

Fred Plötner, 6451 Dörnigheim

einheit zuzuführen und dadurch Werkstücke größerer Dicke zu schneiden. Zwar ist es bekannt, eine wassergekühlte Lavaldüse bei einer Versuchsanordnung

so für ein Plasmastrahltriebwerk anzuwenden. Die Probleme des Schneidens löst jedoch diese bekannte Anordnung nicht.

Es sind auch durch die USA.-Patentschrift 2157 498 Plasmabrenner mit nichtübertragenem

Lichtbogen bekanntgeworden, die eine Austrittsdüse von trichterförmiger oder ähnlicher Gestalt aufweisen. Diese Plasmabrenner dienen jedoch nicht zum Schneiden von Werkstücken, sondern zum Auftragschweißen oder -spritzen. Die dabei auftretenden

Probleme sind völlig anderer Art als die der Erfindung zugrunde liegende oben geschilderte Aufgabenstellung. Zweck der Austrittsdüse obiger Patentschrift ist es, ein leichteres Herausführen des im Plasmastrahl aufgeschmolzenen Pulvers zu ermögliehen. Der Lichtbogen brennt bei dieser Einrichtung im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung zwischen einer Elektrode und dem Anfang der Düsenbohrung in Strömungsrichtung gesehen. Eine Verlängerung des Lichtbogens kann also durch die bekannte Einrichtung nicht erreicht werden und ist auch gar nicht erwünscht, da der Lichtbogen nicht durch die Düsenbohrung hindurch zum Werkstück geführt ist, sondern vielmehr lediglich zwischen einer Elektrode und dem oberen Ende des Düsenkörpers selbst brennt.

Durch die USA.-Patentschrift 2 768 279 ist ferner ein Lichtbogenbrenner mit übertragenem und nichtübertragenem Lichtbogen bekannt, bei dem die Düse sich zum Austritt hin konisch verengt und dann in einem großen Radius ausläuft. Aufgabe dieser Brennerkonstruktion ist es, einen möglichst langen Lichtbogen innerhalb des Brenners zu erzielen, um das im Brenner zu verdampfende Material möglichst lange

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Zeit mit der Wärmequelle, d. h. mit dem Lichtbogen net. Im Gehäuse 13 sind Kanäle 14 vorgesehen, die

in Verbindung zu halten. Zwischen der Kathode und der Zuführung eines Gases dienen und in den oberen

dem als Anode wirkenden Düsenstück ist ein Iso- engen Teil 15 der Ausnehmung 12 münden. Das Gas

Iierkörper eingefügt, um den Lichtbogen zu zwingen, durchströmt die Düsenbohrung 11 und wird durch

durch einen großen Teil des Brenners bis zum 5 diese auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet.

Düsenstück hindurchzutreten. Bei entsprechender Das Werkstück ist schematisch angedeutet und mit

Einstellung der Gasgeschwindigkeit kann der Licht- 16 beziffert.

bogen auch aus der Düsenbohrung herausgeblasen Im Gehäuse 13 ist ferner eine Elektrode 17 angewerden und findet dann seinen Ansatzpunkt an der ordnet, die mit ihrem Ende in die Ausnehmung 15 Stirnseite der Düse. io hineinragt. Die gegenüber dem Gehäuse 13 isolierte Versuche haben gezeigt, daß eine maximale Lei- Elektrode 17 ist an den —Pol einer Stromquelle 18 stungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Düse dadurch angeschlossen. Mit dem +-Pol der Stromquelle 18 erreicht werden kann, daß die Erweiterung der Düse ist das mit 16 bezeichnete Werkstück verbunden, vom engsten Querschnitt zum Austrittsquerschnitt Elektrode und Werkstück sind über einen Stromhin unter einem Winkel von 10 bis 25°, Vorzugs- 15 kreis 19 an die Stromquelle 18 angeschlossen,
weise 15 bis 18°, erfolgt. Elektrode 17 und Düse 10 sind ferner mit einer Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Längenab- zweiten mit Hochfrequenzimpulsen arbeitenden, messung des sich zum Austritt hin erweiternden Ab- nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden, die Schnitts der Düse das 0,5- bis 0,8fache der gesamten zur Einleitung des Zündvorganges dient. Dabei wird Düsenlänge beträgt und der Durchmesser an der so zwischen der Elektrode 17 und dem mit 20 bezifferengsten Stelle der Düse in den Grenzen zwischen ten Düseneintritt ein Hilfslichtbogen erzeugt, der zur 0,5 und 5 mm liegt. Ionisierung des durch die Düsenbohrung 11 strömen-

Da dem Gasstrahl während des Durchströmens der den Gases dient. Das Gas wird dadurch leitend und Düse durch den Lichtbogen ständig Energie züge- ermöglicht nunmehr eine Zündung des durch die führt wird, ist die Düsenwandung naturgemäß einer 25 Stromquelle 18 gespeisten Hauptlichtbogens zwischen sehr starken Wärmebeanspruchung ausgesetzt. Am Elektrode 17 und Werkstück 16. Um eine Überhitstärksten ist davon der engste Querschnitt der Düse zung des Düseneintritts 20 durch den Hilfslichtbogen betroffen. Es ist daher zweckmäßig, die Düsenwan- zu vermeiden, ist dieser mit einem vergleichsweise dung außen, insbesondere am engsten Querschnitt, großen Übergangsradius 21 versehen,
wasserzukühlen. Eine ausreichende Wärmeabfuhr 30 Nach Zündung des die Düsenbohrung 11 durchwird dadurch erreicht, daß die Wanddicke der Düse setzenden Hauptlichtbogens wird das ebenfalls durch kleiner als 1 mm ist. die Düsenbohrung strömende Plasmagas ständig er-

Mit einer solchen Düse läßt sich nicht nur ein hitzt. Darüber hinaus erfolgt durch die lavalartige

Plasmastrahl hoher Geschwindigkeit, sondern auch Form der Düsenbohrung eine starke Beschleunigung

mit hoher Temperatur erzielen, die für das Schmel- 35 des Plasmagasstrahls. Diese Beschleunigung ist ab-

zen des Werkstoffes erforderlich ist. Vorteilhaft wirkt hängig vom Verhältnis des mit I bezeichneten, sich

sich dabei aus, daß der heiße Plasmastrahlkern in erweiternden Teils der Düsenbohrung 11 zur Ge-

dem sich erweiternden Düsenteil nicht so stark mit samtlänge L derselben. Als optimales Verhältnis

der gekühlten Düsenwandung in Berührung kommt wurden für l/L Werte von 0,5 bis 0,8 ermittelt. Wei-

wie bei einer sich in Austrittsrichtung verengenden 40 terhin ist für die Leistungsfähigkeit der Düse der mit

herkömmlichen Düse. Dadurch wird die Wärmeab- α bezeichnete Erweiterungwinkel der Düsenbohrung

gäbe an die Düsenwand und damit der Energiever- 11 maßgebend. Recht gute Ergebnisse wurden dabei

lust des Plasmastrahls geringer. in einem Bereich von α = 10 bis 25° erzielt. Als

Die Ausbildung des sich verengenden Düsenein- optimale Werte wurden für <x = 15 bis 18°, insbeson-

tritts ist im einzelnen grundsätzlich beliebig und kann 45 dere 18°, ermittelt.

dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt sein. Durch die hohe Energiekonzentration innerhalb

Für den Fall, daß der Lichtbogen durch einen Hilfs- der Düse ist diese naturgemäß einer starken Wärme-

lichtbogen gezündet wird, der zwischen Elektrode beanspruchung ausgesetzt und muß daher gekühlt

und Düseneintritt brennt, empfiehlt es sich, den werden. Vor allem ist darauf zu achten, daß eine aus-

Düseneintritt mit einem vergleichsweise großen so reichende Wärmeabfuhr an der stärkstbeanspruchten

Radius zu versehen. Dadurch wird die Energiedichte Stelle, nämlich dem engsten Düsenquerschnitt, er-

beim Zünden herabgemindert und ein eventuell mög- folgt. Nach F i g. 1 ist eine Wasserkühlung der Düse

liches Abschmelzen von Teilen des Düsenkörpers 10 vorgesehen. Durch einen Kanal 22 im Gehäuse 13

vermieden, die sonst durch einen Wärmestau am wird der Ausnehmung 12 Kühlwasser zugeführt, wel-

Düseneinlaufkanal entsteht. 55 ches die Düse umströmt und anschließend durch

In der Zeichnung sind zur näheren Erläuterung der einen weiteren in der Zeichnung nicht dargestellten

Erfindung Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar Kanal wieder aus der Ausnehmung 12 austritt. Um

zeigt einen guten Wärmeübergang von der Düse an das

Fig. 1 eine Plasmaschneideinrichtung im Längs- Kühlwasser zu gewährleisten, weist die Düse an

schnitt (schematisch), 60 ihrem Eintritt und Austritt jeweils einen großflächi-

F i g. 2 eine Ausführungsform einer Düse, teilweise gen Flansch 23 bzw. 24 auf. Im übrigen Düsenbe-

geschnitten, und reich beträgt die Wandstärke etwa 1 mm. Zwischen

Fig. 3 einen Schnitt längs der LinieΠΙ-ΙΠ in den Flanschen 23, 24 und der Wandung der Aus-

Fi g. 2. nehmung 12 sind Dichtungen 25 in Form von O-Rin-

Nach Fig. 1 ist die Düse einer Plasmaschneidein- 65 gen angeordnet, die ein Eindringen des etwa unter

richtung mit 10 bezeichnet. Die Düse 10 weist eine 12 atü Druck stehenden Kühlwassers in die Düsen-

lavalartige Bohrung 11 auf und ist in einer abgesetz- bohrung 11 verhindern sollen. Gleichzeitig dienen die

ten Ausnehmung 12 in einem Gehäuse 13 angeord- O-Ringe 25 zur Abdichtung der Ausnehmung 12 ge-

genüber dem der Düse durch die Kanäle 14 zugeführten Gas.

Die Ausführungsform nach Fig.2 und 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 im wesentlichen durch die Art der Gaszuführung. Die mit 26 bezeichnete Düse ist an ihrem Eintrittsbereich von einem Keramikring 27 umgeben, auf welchem die Elektrode 17 aufsitzt. Der Keramikring 27, welcher fest mit dem Flansch 28 der Düse verklebt ist, weist an seiner Oberseite Kanäle 29 auf (s.insbesondere Fig.3), die der Gaszuführung dienen und tangential in den Düseneintritt 30 münden. Dadurch wird eine Drehbewegung des die Düsenbohrung 31 durchströmenden Gases erreicht, die sich günstig auf die Qualität des Werkstückschnittes auswirkt durch die dabei eintretende Stabilisierung des Lichtbogens.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Schneiden von Werk- ao stücken mittels eines Plasmastrahls, welcher durch einen zwischen einer Elektrode und dem Werkstück aufrechterhaltenen elektrischen Lichtbogen und einem aus einer Düse austretenden, durch den Lichtbogen ionisierten Gas gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (10, 26) in an sich bekannter Weise nach Art einer Lavaldüse ausgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung der Düse (10, 26) vom engsten Querschnitt zum Austrittsquerschnitt hin unter einem Winkel von 10 bis 25°, vorzugsweise 15 bis 18°, erfolgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenabmessung (Z) des sich zum Austritt hin erweiternden Abschnitts der Düse (10,26) das 0,5- bis 0,8f ache der gesamten Düsenlänge (L) beträgt.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser an der engsten Stelle der Düse in den Grenzen zwischen 0,5 und 5 mm liegt.

5. Einrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der engste Düsenquerschnitt wassergekühlt ist.

6. Einrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch einen vergleichsweise großen Radius (21) am Düseneintritt (20).

7. Einrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Düse (10, 26) kleiner als lmm ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»The Engineer«, September 1963, 27, S. 535.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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