DE1615465A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stromversorgung von mit mehreren Lichtbogen arbeitenden Brennern - Google Patents

Description

PATENTANWALTDIPL-INQ-QERHARDSCHWAn

8 MÜNCHEN 8 · QOERZER STKASSE 15

UNION CARBIDE CORPORATION 270, Park Avenue, New York, N.Y. 10017, Ü.S.A*

Verfahren und Vorrichtung zur Stromversorgung von mit mehreren Lichtbogen arbeitenden Brennern

Die Erfindung betrifft die Stromversorgung von Schutzgas·= Plasmabrennern, bei denen ein übertragener Hauptlichtbogen mit einem nicht^übertragenen Hilfslichtbogen kombiniert wird.

Ein Hilfslichtbogen uiird in Verbindung mit einem übertragenen Hauptiichtbogen angewendet, um die Lichtbogenstabilität zu erhöhen, die Zündung des Hauptlichtbogans zu erleichtern und insbesondere die Aufrechtsrhaltung des Hauptlichtbogens bei niedrigen Stromstärken zu unterstützen.. Bislang uiurdsn der Hilfslichtbogen und der Hauptlichtbogsn aus gesonderten Gieichstromquelieh gespeist* Der dem Hilfslichtbogen zugeführte Strom laurda konstant gehalten. UJie gefunden uiurda, ist dies jedoch mit Nachteilen behaftet und unuiirtschaftlich. So kann insbesondere bei erhöhten Leistungen die insgesamt vor» dem Hilfslichtbogen und dem Hauptlichtbo— qen abgegebena Uiärmö den Brenner beschädigen.

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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, „eine einfache und wirtschaftliche Stromversorgung für kl&Lne Nadel—Plasmabrenner zu schaffans die zu einer optimalen Ausnutzung sowohl des übertragenen Hauptlichibogens als auch des.nichtübertragenan Hilfslichtbogens führt, ohne den Brenner zu beschädigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erhitzen von Werkstücken mittels Lichtbogen, bei dem ein zwischen einer Elektrode und dem Werkstück brennender Hauptlichtbogen zusammen mit einem Gasstrom durch den verengten Auslaß einer Düse geleitet wird, innerhalb daran dia Elektrode angeordnet ist, und bei dem gieichzsitig ein Hilfslichtbogen zwischen der Elektrode und einem Tail der Düse aufrechterhalten wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß bsi einer Änderung der Stromstärke des dem einen der Lichtbogen zugeführten Stromes die Stromstärke des dem anderen Lichtbogen zugeführten Stromes selbsttätig in entgegengesetzter Richtung geändert wird.

(Hit der Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem tichtboganbranner_? der eine Elektrode aufweist, die innerhalb einer Gasdüse mit verengtem Auslaß angeordnet ist und deren Spitze mit Bezug auf diesen Auslaß zurückgesetzt ist, sowie mit einem an die Elektrode und das Werkstück angeschlossenen Kauptlichtbogen— Speisesferomkreis und einem an die Elektrode und die Düse

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angeschlossenen HilfBllchtbogen—Speisestromkreis geschaf— fen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß im Nilfsliehtbagen-Speisestromkreis ein Regelorgan liegt, das den dort fließenden Strom bei einer Änderung des Stromflusses Im Hauptlichtbogen-Spaiaastromkrois in entgegengesetzter Richtung ändert. .

Weitere merkmale, Vorteile und Anwendungamoglichkaiten der Erfindung ergeben sich aus dar '-.folgenden Beschreibung eines AuafOhrungsbeispiels in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, die ein Schaltbildeiner erfindungsgemäß aufgebauten Sctuaeißetromquelle zeigt.

Der Nadel—PlasmabrennerT ist mit einer nsdeiartigen Elektrode 10 wereahen, danm Untareg Ende mittig innerhalb einer KupfordUse 12 angeordnet ist. Das untere Ende der Elektrode 10 befindet sich hinter o-inam vorängten AusiaQ der Düse 12, so daß ein Inertgaesfcrom 14, beispialguiaise oin Argongaastroin, um das Elektrodanandp harura nach unten strömt, dabei die Elektrode schützt*.,.' aus dem Auslaß der ■DUstr 12 austritt und die Oborflächö des untarhalb des Brenners anasordnaton Werkstücks 16 erraicht. Ein ständig brennender _t nichtuborfcraganer Hufalichfcaogen P wird innerhalb der Ui!8.-6 12 zwischon Οϋεα und Elektrade durch einen Gleichstrom aufrechiverhaltQrtj der über Laitöt 1.-Q- und 20 Tnrgcführfc iairri. In MhnXichBr ÜJaias uiird aln ständig bconnanriiir; über tr ag an er _r nadeläEitiasr Hauptlichtbogan Ä

BAD ORiQiNAt. Ö 0 9 8 23 /Ό.Α 8 6

zwischen dem Ende der Elektrode 10 und dem Werkstück 16 mit Gleichstrom gespeist, der über die Leiter 18 und 22 zugeführt wird. Der gesamte die Düse 12 verlassende, nadelartige Plasmastrahl wird gegen die Atmosphäre mittels eines ringförmigen Schutzgasstromee 15 abgeschirmt, der beispielsweise aus Argon besteht und aus einer Keramikdüse 15 austritt.

Dem Hilfslichtbogen P und dem Hauptlichtbogen A werden getrennt Ströme aus einem Speisestromkreis zugeführt, der Gleichrichter 24 und 26 aufweist, die an Sekundärwicklungen 28 bzw. 30 eines Transformators 32 angeschlossen sind, dessen Primärwicklungen 34 und 36 über Leiter 38,38, in denen Schalter 40,40 liegen, mit einer UTechselstromquelie verbunden sind. Seim Schliaflen der Schalter 40,40 wird eine Wechselspannung, beispielsweise von 115 V, an die Primärseite des Transformators 32 angelegt. Dem Gleichrichter 24 ist eine Filterdrossel 25, dem Gleichrichter 26 eine Filterdrossei 27 nachgeschaltet.

Der Transformator 32 ist ein Transformator mit hoher Streursaktanz, der Pur eine vorbestimmts Wechselwirkung zwischen dan Auagangsujicklungan für Haupt- und Hilfslichtbogen sorgt« Disee li/schseiujlrkung hat zur Folge, daö der Hilfslicbtboganatrom abnimmt * wenn der Hauptlichtboganstrom ansteigt. Beiapielstaeiaa kann dia Sekundäruiicklung 3Q für den Haupt— lichtbogsasfcron! 10.A bei 40 V* Gleichspannung, liefern, wenn

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sie an den Einphaaen-VolloQgbruckengleichrichtar 26 angeschlossen wird, mährend die Sekundärwicklung 28 für dan Hilfslichtbogenstrom 5 A bei mindestens 20 M Gleichspannung abzugeben vermag, wenn sie an den Einphaaen-Volltöegbrückengleichrichter 24 angeschlossen uiird.

Werden beide Ausgänge (Hauptlichtbogen und Hilfslichtbogen) gleichzeitig benutzt, hat die Wechselwirkung sine leichte Absenkung beider zur Folge. Da der Nadel—Plasmabrenner -T so ausgebildet ist,daß sine konstante Hilfslichtbogen— geometrie aufrechterhalten wird ₉ kann der Hilf slichtbogenstrom anfänglich auf jede beliebige Stromstärke bis einschließlich 5 A eingestellt »erden« Diese Einstellung sollte erfolgen» während der Hauptlichtbogen ausgeschaltet ist. Uiird de? Haupt lichtbogen eingsschaltst, sinkt je nach der Stromstärke das Hauptlichtbogens des¹ Hilfslichtboganstrora ab. -"..-. , "'■""■ . I ' ^: .: ".-■"■ . ■ -

Diese Absenkung erfolgt selbsttätig. Das Ergebnis ist eine Verminderung der ürärmebelastung des Brenners durch den Hilfslichtbogen, so daß der Hauptlichtbogen mit höherer Stromstärke arbeiten kann, als dies zulässig uiäre, wenn, der Hilfslichtbogen auf seinem Aufangsuiert gehalten uiürde· Die Gesamtuiärfiiebslastung des Brenners für einen 10 A*· Hauptlichtbogen ist infoigadessen niedriger als die Belastung, die sich einstellen würde, wenn die gegenseitige Beeinflussung von Hilfslichtbogen und Hauptlichtbogen nicht vorhanden märe.

Die Leerlaufspannung des Hauptlichtbogen-Speisestromkreisee wird bei Verwendung eines RC-Filters 42 erhöht* Normalerweise erfordert eine Filterung mittels Kondensataren die Benutzung von Gleichrichtern, die stärker bemessen und domentsprechend kostspieliger sind. UJird jedoch das RC-Filter nur eingeschaltet« wenn der Ausgang der Transfer— mator-Gleichrichter-Kombination herabgesetzt ist, wie dies bei der vorliegenden Scheltung der Fall ist, werden die auf die kapazitive Filterung zurückzuführenden Gleichrichter-Spitzenströma auf liierte begrenzt, die innerhalb der normalen Bemessung für induktive Filterung liegen. Auf diese U/s is e wird eine erhöhte Leerlauf spannung erhalten, ohne daß die Gleichrichterkosten steigen. Bei Abschaltung des RC-Filters wird beispielsweise die Leoriaufspannung auf ungefähr 70 bis 75 Volt Gleichspannung abgesenkt. Die Absenkung der Leerlaufspannung bei erhöhter Leistungsabgabe verringert die mit der Ausbildung des Hauptlichtbogens verbundenen Kosten auf verschiedene U/eise. Zunächst brauchen die zur Einstellung der Stromstärke erforderlichen Ui id erstände nur für eine geringere Leistung ausgelegt zu werden. Ferner braucht die Transformatorleistung nicht so groß zu sein wie bei Anwendung von RC-Filterung. Weiterhin / werden die Iflärmeverluste innerhalb des Gehäuses der Stromquelle verringert. Die der Eingangsieitung entnommene Leistung ist kleiner. Die Gleichrichter können kleiner

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Vagen der höhen Streureaktanzwird das Verhalten des Transformators bei Aufstellung in der Nähe von magnetischen Werkstoffen, beispielsweise den Ulandungen dee Gehäuses oder dergleichen,beeinflußt. Nachdem dar Gehäuseaufbau festgelegt ist, muß der Transformator/.-art-Ort und Steile sitzen bleiben. 3s größer die Kopplung des Trans— formatorfeldas mit umgebenden magnetischen Werkstoffen ist, desto größer ist der Verlust des ,Flusses zu den Hauptlichtbogenwicklungen und desto größer ist des Absinken der Ausgangsleistung. Pie fallende Kennlinie kann mit Vorteil für die Begrenzung dar maximalen Ausgangsleistung ausgenutzt «erden, ohne daß Reihenwidorstande verwendet «erden.

Beim Schließen des zweipoligen Schalters 48 wird der Stromkreis 49 mit den Traneforinatqr-Pritnäruicklungen 34 und 36 an Spannung gelegt, kommt die Kontrollampe 52 unter Strom und wird der Hilfslichtbogen—Speisestromkreis SQ geschlossen. Im Stromkreis SO liegen ein Festwiderstand und ein Stellwiderstsnd 56 zur Einstellung ■ des,.Hilf alicht— bogenstromss entsprechend übt Größe des Brenners T, z* B. auf 4 bis SA»

Der Haupt lieh tbagansfcxOm ufirci mittels dar dem Gleichrichter 26 nachgaschaltaten Uiidsrötände 6Q_t62 auf öinen Wert zufischan bBiapiDlsüieiss/ D.,-1 und 10 ft ".bei 40 ¥ singestsüt. Der Schaltarm 64 eines dreipoligen ijmBahsjLiers S. übsrbrückt

für hohe Lichtbogenströme einen Uiideratand 63, ao daß nur -noch dar Stellwiderstand 62 im Stromkreis liegt. Beim Arbeiten mit niedrigem Lichthoganatrom liegen die Uliderstände 63 und 60 in Reihe und ist das RC-Filter 42 mittela der Schaltarme 65 und 66 des Schaltars S zwischen die Leiter und 22 geschaltet·

UJann daher der Hilfslichtbogenstrom einen Höchstwert annimmt, sinkt der Hauptlichtbogenstrom auf einen Kleinstwert ab und umgekehrt, d. h. dar eine Strom nimmt zu, wenn der andere abnimmt, so daß sich die Hilfslichtbogenstromstärke gegenläufig zur Hauptlichtbogenstromstärke verhält. Damit wird die tUärmsbelastung des Branners kleinstmöglich gehalten und wird die Wirkung das Hilfslichtbogen bei niedrigen Hauptlichtbcgenatrömen verstärkt, was zu einer größeren Stabilität des Hauptlichtbogana führt. Bei hohen Hauptlichtbogenatrömen ist dagegen.eine hohe Stromstärke des Hilfslichtbogens nicht erforderlich; der Hilfelichtbogenstrom wird infolgedessen verringert.

Im praktischen Betrieb verläßt der Plasmastrahl dee Hilfslichtbogens den Brenner T nadslförmig in Richtung auf das Werkstück 16. Fließt der Hauptlichtbogenstrom, wird der .-Plasmastrahl das übertragenen Lichtbogens ebenfalls in Nadelform ausgebildet.

Die Erfindung eignet eich in besonderer UJsise- für das

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Sohwsißen von Werkstoffen geringer RlaterialstärkB einschließlich rastsicbBren Stählen und anderen Legierungen,

In darr folgenden Tabelle 'sind typische "Strom-·" und Spannungsuierfce dargestellt, wie sie bsi einem arfindungsgemäß ge— speisten Brenner auftreten, der für airsen übertragenen Hauptlichtbogen von 10 A ausgelegt ist.

	Unterer	Bereich	2	Oberer	27	Bereich
Hauptlichtbogen			27,5	-■■■"-
Strom	0 0	»12			5,1	. 10 '
Spannung	ΰ 25		5,3	12	28
Hilfslichtbogen			13
Strom	5,39 5	,^25			4,2
Spannung	15,4 t-4	,9			9,6
Leerlaufspannung
Hauptlichtbogen	125	-	73 I
Hilfslichtbogen	57		57 I

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Claims (1)

1. Pat entansprUche

   1· Verfahren zum Erhitzen von Werkstücken mittels Lichtbogen, bei dem ein zwischen einer Elektrode und dem Werkstück brennender Hauptlichtbogen zusammen mit einen Gasstrom durch den verengten Auslas einer Düse geleitet wird, innerhalb deren die Elektrode angeordnet ist, und bei dem gleichzeitig ein Hilfslichtbogen zwischen der Elektrode und einem Teil der Düse aufrechterhalten wird» dadurch gekennzeichnet, daS bei einer änderung dor Stromstärke des dom einen der Lichtbogen zugeführten Stromes die Stromstärke des dem anderen Lichtbogen zugeführten Stromes selbsttätig in entgegengesetzter Richtung geändert wird.

   2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch mit eine« Lichtbogenbrenner, der eine Elektrode aufweist, die innerhalb sine? Gasdüse mit verengtem AuslaO angsord-

   f net int und deren Spifeso mit Bezug auf diesen AuslaO zurückgesetzt ist, sowie alt einem an die Elektrode und .das Werkstück angeschlossenen Hauptlichtbogen-Speiaestromkreis und einem an die Elektrode und die Düse angeschlossenen HilfsJJichtbogen-Speisestromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß im Hilfslichtbogen-Speisestromkreia (50) ein Regelorgjan (28) liegt, das den dort fließenden Strom bei einer Änderung des Stromflusses im Hauptlichtbogen-Speieestromkraia in entgegengesetzter Richtung, ändert»

   3· Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der im Hauptlichtbogan- und 1« Hilfalichtbogen-Spaiaaatromkreis jeweils dia Sekundärwicklung einaa Laistungatranaformatorβ liegt, daaaan Priaärwioklung an eine WachaeiatroniqualXe angaachloasan iat_y dadurch gekennzeichnet, daO daa Regal— organ von dar im Hilfaiichtbogan-Spsiaeatromkreia liegenden Sekundärwicklung (2B) des Leiatungstransförmatora (32) gebildet üirdi die «it dar Primärwicklung (34) und alnar zweiten, im Hauptlichtbogen-Speiaeatrooikreia liegenden Sekundärwicklung (30) über einen Kern elektromagnetisch gekoppalt iat_y der dia (iJicklungaflUaae· In vorbaetlnntar Veiee miteinander verkettet.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei dar im Hauptlichtbogen- und im Hilfalichtbogen-Speiöeatrorakreia jeweila Gleichrichter und Stellwiderstände zur Einstellung dee den betreffenden Lichtbogen zugefUhrten Gleichetramee liegen, dadurch gekennzeichnet, daß la Hauptlichtbogan-Speiaeatrooikreie sin Schalter (J5) liegt, nittaia dataen ein RC-Kreia (42) parallel zu«Auagang des Gleichrichters (26) legbar ist.

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