DE4310762A1 - Plasmabrenner-Düse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Lichtbogenplasma-Brenner und bezieht sich insbesondere auf eine verbesserte Düse für einen Licht­ bogenplasma-Brenner.

Das Schneiden mit Lichtbogenplasma ist eine Metallbearbei­ tungstechnik, bei der die Wärme, die zum Trennen, Schneiden oder das Durchführen ähnlicher Aufgaben auf andere Weise an Metallen erforderlich ist, durch ein Plasma bereitgestellt wird, d. h. ein Zustand, in dem ein Werkstoff bis zu einem solchen Grad und unter weiteren zweckdienlichen Umständen so erwärmt ist, daß alle Elemente in ionisierter oder Atom-Form vorliegen. In den meisten Fällen besteht die wirkungsvollste Weise, ein Plasma auszulösen und zu erzeugen darin, eine aus­ reichende Potentialdifferenz (Spannungsfall) zwischen einer Anode und einer Kathode in Gegenwart des Plasmabildners, üb­ licherweise ein strömendes Gas, anzulegen. Bei einer Form des Lichtbogenplasma-Schweißens, das als Schweißen mit transfe­ riertem Lichtbogen bekannt ist, wird die Potentialdifferenz zwischen einer Elektrode im Brenner und einem metallenen Werkstück selbst angelegt.

Eine Schneidanlage mit Lichtbogenplasma-Brenner hat zahlrei­ che verschiedene Anwendungen, darunter das Schneiden. Das Schneiden beginnt gelegentlich an der Kante eines Werkstücks, unter anderen Umständen jedoch auch an irgendeinem Teil des Werkstücks, das von einer Kante genügend weit entfernt ist, so daß die Kante während des anfänglichen Schneidens nicht berücksichtigt wird. Wenn mit einem Lichtbogenplasma-Brenner eine Öffnung oder ein Schnitt an einer solchen, nicht am Rand liegenden Stelle begonnen wird, wird die Technik als "Lochen" bezeichnet. Das Lochen führt beim Lichtbogenplasma-Brenner zu einem besonderen Problem insofern, als wegen der Bearbei­ tungsstelle (zumindest zu Beginn) kein Rand oder untere Öff­ nung vorhanden ist, in die das geschmolzene Metall fließen kann. Somit besteht ein üblicher Nebeneffekt beim Lochen darin, daß geschmolzenes Metall im Schnitt das Bestreben hat, gegen den Brenner und seine Düse zu spritzen und sie zu be­ schädigen.

Dem mit Lichtbogenplasma-Schweiß- und -Schneidbrennern ver­ trauten Fachmann ist bekannt, daß recht häufig der Schaden an der Düse sich auf die Elektrode auswirkt und gelegentlich am gesamten Lichtbogenplasma-Brenner katastrophale Schäden ent­ stehen. Daher kann in dem Maße, wie das Aufspratzen beim Lo­ chen oder anderen Arbeitsgängen auf ein Geringstmaß be­ schränkt oder beseitigt werden kann, die zu erwartende Le­ bensdauer des Lichtbogenplasma-Brenners verlängert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Licht­ bogenplasma-Brenner zu schaffen, der gegen Werkstoffspritzer besser geschützt ist als herkömmliche Brenner und weitere Vorteile aufweist, insbesondere hinsichtlich der Kühleigen­ schaften.

Diese Aufgabe wird mit einer erfindungsgemäß verbesserten Düse fur einen Lichtbogenplasma-Brenner gelöst. Die Düse um­ faßt einen im wesentlichen tonnenförmigen Hauptteil, der von einer längsgerichteten Öffnung durchsetzt ist, um einen Gas­ strom für einen Plasmalichtbogen von hinteren Abschnitten des Hauptteils stromabwärts zu vorderen Abschnitten des Haupt­ teils und von dort durch eine Öffnung am vorderen Abschnitt zu lenken, so daß bei einer ausreichenden elektrischen Poten­ tialdifferenz ein Plasmalichtbogen entsteht. Der Düsen-Haupt­ teil umfaßt insbesondere einen hinteren Abschnitt, auf dem die Außenflächenabschnitte bezüglich der Strömungsrichtung divergieren, einen Mittelabschnitt, auf dem die Außenflächen­ abschnitte bezüglich der Strömungsrichtung im wesentlichen zylindrisch sind, und einen vorderen Abschnitt, auf dem die Außenflächenabschnitte bezüglich der Strömungsrichtung kon­ vergieren. Die jeweiligen Außenflächenabschnitte bilden eine kontinuierliche Außenfläche auf dem Düsen-Hauptteil, die den entlang der Außenfläche des Düsen-Hauptteils gerichteten Gas­ strom unterstützt, der Außenfläche zu folgen und an der Dü­ sen-Stirnseite sich einzuengen. Die konvergierende Strömung des Gases an der Düsen-Stirnseite trägt zum Schutz der Düse gegen Werkstoffspritzer während des Schneidens, insbesondere beim Durchlochen bei.

Mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Lichtbogenplasma-Brenners,

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht der Düse und anderer Teile eines Brenners mit einer schematischen Darstellung ei­ nes Schneid- oder Locharbeitsganges,

Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine Gruppe funktionaler Teile eines Lichtbogenplasma-Brenners,

Fig. 4 eine Schrägansicht eines Düsen-Hauptteils gemäß der Erfindung, und

Fig. 5 eine Schrägansicht einer zweiten Ausführungsform eines Düsen-Hauptteils gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Lichtbogenplasma-Brenner 10, von dem die allgemeine Konstruktion und die Arbeitsweise der Hauptbau­ teile dem Fachmann bekannt sind. Der Brenner 10 umfaßt einen Hauptteil 11 und eine Düsen-Baugruppe 12, die beim gezeigten Beispiel unter einem Winkel zum Hauptteil 11 angeordnet ist. Dem mit solchen Brennern 10 vertrauten Fachmann ist bekannt, daß die Düsen-Baugruppe 12 auch in einer Linie mit dem Haupt­ teil 11 angeordnet sein kann, um eine auf diesem Fachgebiet übliche stiftähnliche Anordnung zu bilden.

Der Brenner 10 umfaßt ferner einen oder mehrere Kanäle 13, durch den/die das Lichtbogenplasma-Gas von einer nicht darge­ stellten Quelle zur Düsen-Baugruppe 12 strömen kann. Dem mit dem Lichtbogenplasma-Schweißen vertrauten Fachmann ist ferner bekannt, daß üblicherweise ein oder mehrere Gase verwendet werden, sowohl um den Plasmalichtbogen zu erzeugen als auch einen Kühlstrom innen durch und außen um die Düsen-Baugruppe 12 zu lenken, um zur Milderung der Auswirkungen der hohen Temperaturen des Plasmas auf die arbeitenden Teile des Bren­ ners 10 beizutragen.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung eine Düse 14 der Dü­ sen-Baugruppe 12. Beim gezeigten Beispiel handelt es sich um einen Brenner mit transferiertem Lichtbogenplasma, bei dem ein Werkstück 15 in Verbindung mit der Elektrode des Brenners zum Herstellen einer Potentialdifferenz und des Plasmalicht­ bogens verwendet wird.

Fig. 2 enthält auch eine vereinfachte Darstellung des Plasmas P, der Werkstoff-Spritzer S vom Werkstück 15, und des Kühl­ gasstroms C um die Düse 14, wobei die Kühlgase sowohl zum Kühlen der Düse 14 als auch dazu dienen, aufspritzenden Werk­ stoff in nachstehend beschriebener Weise daran zu hindern, die Düse 14 zu beschädigen.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Brenners 16 mit einer Darstellung von Einzelheiten seiner Konstruktion und seiner Arbeitsweise. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 hat der Brenner 16 eine Düsen-Baugruppe 12, den Gaskanal 13 und die Düse 14 selbst.

Zu den übrigen Teilen des Brenners 16 gehören ein äußeres Isolierteil 17, ein Zündbogen-Hauptteil 20, ein inneres Iso­ lierteil 21 und ein Elektroden-Hauptteil 22. Dies sind zylin­ drische Bauteile, die in der Schnittansicht der Fig. 3 als etwa identische spiegelbildliche Teile auf entgegengesetzten Seiten des zentralen Gaskanals 13 erscheinen. Der hier be­ nutzte Ausdruck "Hauptteil" bezieht sich auf hauptsächliche Abschnitte des Brenners 16 oberhalb der Düse 14, d. h. auf den Elektroden-Hauptteil 22 oder den Zündbogen-Hauptteil 20. Das Beispiel gemäß Fig. 3 umfaßt ferner ein Halter-Isolierteil 23 und einen Halter 24.

Die Düse 14 weist einen im wesentlichen tonnenförmigen Haupt­ teil auf, der von einer längsgerichteten Öffnung 25 durch­ setzt ist, welche einen Gasstrom für einen Plasmalichtbogen von hinteren Abschnitten des Hauptteils stromabwärts zu vor­ deren Abschnitten und dann an einer Düsen-Stirnseite 26 an den vorderen Abschnitten nach außen lenkt, um in Gegenwart einer zweckdienlichen elektrischen Potentialdifferenz einen Plasmalichtbogen zu bilden. Die Düse 14 umfaßt ferner einen hinteren Abschnitt 27, der auch in Fig. 4 und 5 dargestellt ist, auf dem die Außenflächenabschnitte in bezug auf die Richtung stromabwärts divergieren. In diesem Zusammenhang be­ deutet "stromabwärts" die allgemeine Richtung des Gasstroms im Brenner 16 und in seiner Düse 14 während des normalen Be­ triebs.

Die Düse 14 umfaßt ferner einen Mittelabschnitt 30, auf dem die Außenflächenabschnitte, bezogen auf die Richtung stromab­ wärts, im wesentlichen zylindrisch sind, und einen vorderen Abschnitt 31, auf dem die Außenflächenabschnitte, bezogen auf die Richung stromabwärts, konvergieren. Die jeweiligen Außen­ flächenabschnitte der Düse 14 bilden eine kontinuierliche Au­ ßenfläche für den Düsen-Hauptteil und unterstützen den ent­ lang der Außenfläche des Düsen-Hauptteils gerichteten Gas­ strom, der Außenfläche zu folgen und an der Stirnseite 26 des Düsen-Hauptteils sich einzuengen.

In dieser Hinsicht macht sich die Gestalt der Düse 14 eine Erscheinung in einer Fluidströmung zunutze, die als Coanda- Effekt bekannt ist, auch als Wandhaftungs-Effekt bezeichnet wird. Unter dem Coanda-Effekt versteht man das Bestreben ei­ nes strömenden Fluids, einer Fläche zu folgen, gegen die das Fluid anströmt, auch wenn die Fläche die Richtung ändert. Insbesondere bei einer mäßigen Änderung der Fläche, gegen welche das Fluid anströmt, entsteht ein Druckgradient an den Stellen, an denen die Fläche ihre Richtung ändert, und dieser Druckgradient hat das Bestreben, das strömende Fluid an der Fläche zu halten. Aus den Darstellungen in Fig. 3, 4 und 5 ergibt sich somit, daß, wenn ein Gas über die Düse 4 hin­ wegströmt, das Flächenprofil der Düse 14 einen konvergieren­ den Kühlgasstrom C auf der Außenseite der Düse 14 erzeugt, der, wie in Fig. 2 dargestellt, das Abweisen aufspritzenden Werkstoffs während des Brennerbetriebs unterstützt.

Beim gezeigten Beispiel weist die Düse 14 einen im wesentli­ chen hohlen Hauptteil auf, mit einer Mündung 28 hinter dem hinteren Abschnitt 27. Die Mündung 28 nimmt eine in sie ein­ dringende Brenner-Elektrode 32 so auf, daß das vordere Ende der Elektrode 32 in der Nähe der Düsen-Stirnseite 26 angeord­ net ist, so daß zwischen der Elektrode 32 und der Düse 14 oder zwischen der Elektrode 32 und einem elektrisch leitfähi­ gen Werkstück 15 ein zweckdienlicher Plasmalichtbogen gezogen werden kann. Der spezielle Abstand zwischen der Elektrode 32 und der Düse 14 ist von der Zusammensetzung und der Strömung des Gases und von dem angestrebten oder benötigten Spannungs­ fall abhängig. Diese Parameter sind in der Fachwelt bekannt und können ohne übermäßiges Experimentieren berechnet und ausgewählt werden.

Beim gezeigten Beispiel umfaßt die Düse 14 ferner wenigstens eine kreisringförmige Schulter 33, die auf einem Halter 24 aufnehmbar und durch ihn abstützbar ist (Fig. 3, 4 und 5).

Bei bevorzugten Ausführungsformen erweitern sich die diver­ gierenden Außenflächenabschnitte des hinteren Abschnitts 27 unter einem Winkel zwischen etwa 1° und 20°, bezogen auf die Längsmittelachse der tonnenförmigen Düse 14. Die konvergie­ renden Außenflächenabschnitte des vorderen Abschnitts 31 lau­ fen unter einem Winkel zwischen 5° und 20° zusammen, bezogen auf die Längsmittelachse des tonnenförmigen Düsen-Hauptteils 14.

Die Stirnseite 26 der Düse 14 weist ferner eine kreisrunde Öffnung 34 auf, die ebenfalls zur Längsachse des Hauptteils zentriert ist. Gemäß Fig. 4 und 5 kann der Außenflächenab­ schnitt des Mittelabschnitts 30 in alternativen Ausführungs­ formen entweder glatt oder mit der dargestellten Rändelung strukturiert sein.

Gemäß Fig. 3 weist der Halter 24 obere Abschnitte auf, die mit dem Zündbogen-Hauptteil 20 verschraubt sind, und in ähn­ licher Weise greift der Halter 24 an der Schulter 33 der Düse 14 an, um sie in Stellung halten, wenn der Halter 24 in Stel­ lung gehalten ist. Es versteht sich, daß die Düse 14 bei an­ deren Ausführungsformen ein mit Gewinde versehenes Teil auf­ weisen kann und durch Schraubeingriff in Stellung gebracht wird. Der Halter 24 weist ferner Mittel auf, um einen Kühl­ gasstrom gegen die Außenfläche der Düse 14 zu richten. Diese Mittel sind beim gezeigten Beispiel ein erster Satz Aus­ trittslöcher 35, die in einen Sammelraum 36 zwischen dem Hal­ ter 24 und dem ihn umgebenden Halter-Isolierteil 23 münden. Aus dem Sammelraum 36 strömt Kühlgas durch einen zweiten Satz Austrittslöcher 37, die in der Nähe des Düsen-Hauptteils 14 münden. Gemäß Fig. 3 positioniert der Halter 24 die Düse 14 so, daß die divergierenden Teile des hinteren Abschnitts 27 in der Nähe des zweiten Satzes Austrittslöcher 37 angeordnet sind. Bei dieser Anordnung begrenzen der Halter 24 und die hinteren Abschnitte der Düse 14 zwischen sich einen zweiten Sammelraum 40, in dem sich der Kühlgasstrom C bei Beginn sei­ ner Abwärtsströmung entlang des Düsen-Hauptteils ausgleichen bzw. vergleichmäßigen kann.

Gemäß Fig. 3 weist der Halter 24 eine im wesentlichen kreis­ runde Öffnung 41 auf, durch welche die Düse 14 hindurchdringt und in welcher der Halter 24 und der Düsen-Hauptteil 14 einen Ringraum zwischen sich begrenzen, durch den Kühlgas C hin­ durchströmen kann. Beim gezeigten Beispiel positioniert der Halter 24 den Düsen-Hauptteil 14 so, daß wenigstens der Mit­ telabschnitt 30 und der vordere Abschnitt 31 im wesentlichen vollständig außerhalb des Halters 24 angeordnet sind. Folg­ lich strömt das Kühlgas C entlang der Außenfläche der Düse 14 im wesentlichen außerhalb des übrigen Teils der Plasmabren­ ner-Baugruppe 16, derart, daß dadurch die Düse 14 wirkungs­ voller gekühlt wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Ringraum zwischen dem Halter 24 und der Düse 14 zwischen etwa 0,127 mm und etwa 0,762 mm (0,005 bis 0,030 engl. Zoll) breit.

In Fig. 3 sind einige der übrigen Merkmale des Brenners 16 und die Art und Weise zu erkennen, in der Gas durch sie hin­ durchströmt. Wie schon beschrieben, strömt das Gas zuerst in die unteren Abschnitte des Brenners 16 durch den Gaskanal 13 ein, der sich in Längsrichtung durch den Elektroden-Hauptteil 32 erstreckt. Die Elektrode 32 ist im wesentlichen hohl und steht in Fluidverbindung mit dem längsgerichteten Gaskanal 13 im Elektroden-Hauptteil 22, so daß ein durch den Elektroden- Hauptteil 22 gelenktes Gas in das Innere der Elektrode 32 ge­ langt und zur Kühlung der Elektrode 32 beim Arbeiten mit dem Plasmalichtbogen beiträgt. Der Elektroden-Hauptteil 22 umfaßt ferner eine Einrichtung, die als Elektrodenadapter 42 darge­ stellt ist, welche ein Fluid aus dem Innenraum der Elektrode 32 sowohl in das Innere als auch auf die Außenseite der Düse 14 lenkt, so daß ein ins Innere der Düse 14 gelenkter Gas­ strom in Gegenwart einer ausreichenden elektrischen Potenti­ aldifferenz einen Plasmalichtbogen bildet, und ein auf die Außenseite der Düse 14 gelenkter Gasstrom zur Kühlung der Düse 14 und zum Ablenken vom Werkstück aufspritzenden Werk­ stoffs beiträgt, wenn der Gasstrom über die divergierende und die konvergierende Außenfläche der Düse 14 hinwegströmt.

In dieser Hinsicht kann die divergierende und konvergierende Gestalt der Düse 14 mit Vorteil dazu benutzt werden, die Masse der Düse 14 zu verringern, woraus sich eine Minderung ihrer Wärmehaltung und eine vereinfachte Kühlung der Düse er­ geben.

Der Elektrodenadapter 42 wird vom Elektroden-Hauptteil 22 ge­ tragen und umfaßt einen im wesentlichen zylindrischen Haupt­ teil, der auf ganzer Länge von einer längsgerichteten Öffnung 43 durchsetzt ist. Der zylindrische Hauptteil weist einen er­ sten Satz in Umfangsrichtung beabstandeter Öffnungen 44 auf, die rechtwinklig zur längsgerichteten Öffnung 43 angeordnet sind und mit ihr in Fluidverbindung stehen, um eine Fluidver­ bindung zwischen dem Innern der Elektrode 32 und der Außen­ seite der Düse 14 herzustellen. Der Elektrodenadapter 42 um­ faßt ferner einen zweiten Satz in Umfangsrichtung beabstande­ ter Öffnungen 45, die ebenfalls mit der längsgerichteten Öff­ nung 43 in Fluidverbindung stehen, um eine Fluidverbindung zwischen dem Innern der Elektrode 32 und dem Innern der Düse 14 herzustellen. Der Elektrodenadapter 42 ist vorzugsweise auswechselbar, wie in der gleichzeitigen US-Anmeldung von Carkhuff, Nr. 07/862,785, eingereicht am 3. April 1992 unter dem Titel "Plasmabrenner", dargelegt ist und deren Inhalt durch Bezugnahme zum Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Wie dort dargelegt, schützt der auswechselbare Elektrodenadapter den Elektroden-Hauptteil und mit ihm in Verbindung stehende Teile des Brenners gegen einen katastro­ phalen Ausfall der Elektrode.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß der Elektrodenadapter 42 und der Halter 24 zwischen sich eine Kammer 46 begrenzen. Im Be­ trieb strömt somit Gas durch den Gaskanal 13 hindurch und in die längsgerichtete Öffnung 43 im Elektrodenadapter 42. Das Gas durchströmt den Innenraum des Elektrodenadapters 42 und einer konzentrisch angeordneten Kühlwand 47, bis es in den Innenraum der Elektrode 32 gelangt. Von dort strömt das Gas im Elektrodenadapter 42 zwischen der längsgerichteten Öffnung 43 und der Kühlwand 47 nach oben, bis es entweder an den er­ sten oder an den zweiten rechtwinkligen Öffnungen 44 bzw. 45 austritt. Das Gas aus den ersten Öffnungen 44 strömt in die Kammer 46 ein und dann durch die Austrittslöcher 35, den Sam­ melraum 36, die Austrittslöcher 37, den Sammelraum 40 und den Ringraum zwischen der Düse 14 und dem Halter 24, derart, daß die Düse 14 gekühlt wird, wobei der weiter oben beschriebene Coanda-Effekt ausgenutzt wird. Andere Teile des Gases aus dem Innenraum der Elektrode 32 strömen aus dem zweiten Satz Aus­ trittslöcher 45 aus, welche das Gas in den Raum zwischen der Elektrode 32 und der Innenseite der Düse 14 und dann aus der Düsenöffnung 34 hinausleiten. Wenn zwischen der Elektrode 32 und dem Werkstück eine ausreichende elektrische Potentialdif­ ferenz (Spannungsfall) anliegt, entsteht zwischen der Elek­ trode 32 und dem Werkstück in den durch die Öffnung 34 strö­ menden Gasen ein Plasmalichtbogen. Wie auf diesem Fachgebiet üblich, wird auch ein Emissionseinsatz 50 in der Elektrode 32 benutzt, der zur Fortpflanzung des Spannungsfalls im Plasma beiträgt.

Die Düsen-Konstruktion gemäß der Erfindung wurde in einem Lochungsversuch erprobt und mit der Düse PT-20M aus der lau­ fenden ESAB-Fertigung (The EASB Group, P.O. Box 100545, Ebenezer Road, Florence, S.C. 29501, USA) verglichen. Der Brenner wurde über einer Platte aus unlegiertem Stahl mit ei­ ner Dicke von etwa 25,4 mm (1 engl. Zoll) in einem Abstand von etwa 6,3 mm (0,25 engl. Zoll) zwischen Düse und Werkstück in Stellung gebracht. Der Lufteingangsdruck zum Kühlen und für das Plasmagas war auf etwa 5,85 bar über atmosphärischem Druck (85 engl. Pfund je Quadratzoll Anzeige) eingestellt.

Bei Verwendung eines Lichtbogenstroms von 100 A wurde der Brenner während spezieller Zeitabschnitte eingeschaltet. Diese Zeitabschnitte wurden stufenlos vergrößert, bis der Brenner die Platte vollständig durchlocht hatte, woraus sich die für eine vollständige Durchlochung benötigte Mindestzeit ergab. Außerdem wurde nach zehn (10) aufeinanderfolgenden Durchlochungen das an jede Düse angespritzte geschmolzene Me­ tall ermittelt.

Unter diesen Testbedingungen wurde als Mindestdurchlochungs­ zeit für die Düse PT-20M 3,75 Sekunden ermittelt, wobei sich an der Düsen-Stirnseite in den aufeinanderfolgneden Prüf­ lochungen rasch aufspritzender Werkstoff anlagerte. Unter Verwendung der Erfindung wurde jedoch die Mindestdurch­ lochungszeit auf 2,75 Sekunden reduziert, und die Düsen- Stirnseite blieb nahezu frei von anspritzendem Werkstoff. Wenngleich die Anmelderin nicht auf eine spezielle Theorie festgelegt werden will, scheint die Verringerung der Werk­ stoffspritzer das Ergebnis einer verbesserten Kühlung der Düse zu sein. Daher schien es, daß jeder aufspritzende, auf die Düse auftreffender Werkstoff rasch abkühlt und abblät­ tert, statt an der Stirnseite haften zu bleiben. Außerdem schien das Spritzmuster des geschmolzenen Werkstoffs, der aus der Lochung ausgespritzt wurde, in eine eher waagerechte Richtung und somit vom Brenner weg abgelenkt zu werden.

Fig. 3 zeigt einige wenige weitere Einzelheiten, die dem Fach­ mann bekannt sind. Dazu gehören ein Elektroden-Isolierteil 51, Gewinde 52 am Halter 24 und das entsprechende Gewinde 53 am Zündbogen-Hauptteil 20 zum Befestigen des Halters 24 am Zündbogen-Hauptteil 20. Außerdem sind bei der bevorzugten Ausführungsform der Elektrodenadapter 43 und die Elektrode 32 mittels zugehöriger Gewinde 54 und 55 miteinander ver­ schraubt.

Claims (12)

1. Plasmabrenner-Düse (14), mit einem im wesentlichen tonnnenför­ migen Düsen-Hauptteil, der von einer längsgerichteten Öffnung (25) durchsetzt ist, um einen Gasstrom für einen Plasmalichtbo­ gen von hinteren Abschnitten des Hauptteils stromabwärts zu vorderen Abschnitten des Hauptteils und von dort an einer Stirnseite (26) an den vorderen Abschnitten zu lenken, so daß bei einer ausreichenden elektrischen Potentialdifferenz ein Plasmalichtbogen entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsen-Hauptteil ferner umfaßt:
- einen hinteren Abschnitt (27), auf dem die Außenflächenab­ schnitte bezüglich der Strömungsrichtung divergieren,
- einen Mittelabschnitt (30), auf dem die Außenflächenab­ schnitte bezüglich der Strömungsrichtung im wesentlichen zylindrisch sind,
- einen vorderen Abschnitt (31), auf dem die Außenflächenab­ schnitte bezüglich der Strömungsrichtung so konvergieren, daß die Außenfläche des Düsen-Hauptteils am vorderen Ab­ schnitt die Richtung ändert, um am Übergang zwischen dem Mittelabschnitt (30) und dem vorderen Abschnitt (31) einen Druckgradienten zu erzeugen, wenn ein Gas vom Mittelab­ schnitt (30) zum vorderen Abschnitt (31) strömt, wobei der Druckgradient das Bestreben hat, das Gas während der Strö­ mung an der Außenfläche zu halten und so, daß das Gas an der Stirnseite (26) des Düsen-Hauptteils konvergiert.

2. Plasmabrenner-Düse (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- der hintere Abschnitt (27) ferner wenigstens eine kreis­ ringförmige Schulter (33) zur Aufnahme an und Abstützung durch einen Halter (24) in einem Plasmalichtbogen-Brenner (16) aufweist, und
- die Stirnseite (26) eine kreisrunde Öffnung (34) aufweist, die zur Längsachse des tonnenförmigen Düsen-Hauptteils zen­ triert ist.

3. Plasmabrenner-Düse (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
- die divergierenden Außenflächenabschnitte des hinteren Ab­ schnitts (27) unter einem Winkel zwischen etwa 1 und 20 Grad gegenüber der Längsmittelachse des tonnenförmigen Dü­ sen-Hauptteils divergieren, und
- die konvergierenden Außenflächenabschnitte des vorderen Ab­ schnitts (31) unter einem Winkel zwischen etwa 5 und 20 Grad gegenüber der Längsmittelachse des tonnenförmigen Dü­ sen-Hauptteils konvergieren.

4. Plasmabrenner-Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner gekennzeichnet durch
- ein Halter-Isolierteil (23), und
- einen Halter (24), der vom Halter-Isolierteil (23) getragen wird und Mittel zum Positionieren und Halten der Düse (14) in einer Brenner-Baugruppe und Mittel zum Lenken eines Kühlgasstroms (C) gegen die Außenfläche des Düsen-Haupt­ teils aufweist.

5. Plasmabrenner-Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Düsen-Hauptteil im wesentlichen hohl ist, mit einer Mündung (28) am hinteren Abschnitt (27), und
- eine Brenner-Elektrode (32) sich durch die Mündung (28) und in den hohlen Düsen-Hauptteil erstreckt, wobei das vordere Ende der Elektrode (32) in der Nähe der Düsen-Stirnseite (26) angeordnet ist, derart, daß zwischen der Elektrode (32) und der Düse (14) oder zwischen der Elektrode (32) und einem elektrisch leitfähigen Werkstück (15) ein zweckdien­ licher Plasmalichtbogen gezogen werden kann.

6. Plasmabrenner-Baugruppe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Mittel zum Lenken des Kühlgasstroms (C) im Halter (24) eine Vielzahl Öffnungen (35, 37) im Halter (24) in der Nähe des Düsen-Hauptteils umfassen, und
- der Halter (24) den Düsen-Hauptteil so positioniert, daß die divergierenden Abschnitte des hinteren Abschnitts (27) in der Nähe der Öffnungen (27) angeordnet sind, derart, daß der Halter (24) und der hintere Abschnitt (27) des Düsen- Hauptteils zwischen sich einen Sammelraum (40) begrenzen, in dem ein Kühlgasstrom (C) bei Beginn der Abwärtsströmung entlang des Düsen-Hauptteils sich vergleichmäßigen kann.

7. Plasmabrenner-Baugruppe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Halter (24) eine im wesentlichen kreisrunde Öffnung (41) aufweist, durch die der Düsen-Hauptteil hindurchragt,
- der Halter (24) und der Düsen-Hauptteil zwischen sich einen Ringraum begrenzen, durch den Kühlgase (C) hindurchströmen können, und
- der Halter (24) den Düsen-Hauptteil so positioniert, daß wenigstens der Mittelabschnitt (30) und der vordere Ab­ schnitt (31) im wesentlichen vollständig außerhalb des Hal­ ters (24) angeordnet sind, derart, daß der Kühlgasstrom (C) an der Außenfläche des Düsen-Hauptteils im wesentlichen au­ ßerhalb der übrigen Teile der Plasmabrenner-Baugruppe (16) entsteht, um dadurch die Düse (14) wirkungsvoller zu küh­ len.

8. Plasmabrenner-Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum zwischen dem Halter (24) und dem Düsen-Hauptteil zwischen etwa 0,127 mm und 0,762 mm (etwa 0,005 bis 0,030 engl. Zoll) breit ist.

9. Plasmalichtbogen-Brenner (16) nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch
- ein im wesentlichen zylindrisches, hohles äußeres Isolier­ teil (17),
- ein Elektroden-Hauptteil (22), der im Isolierteil (17) kon­ zentrisch abgestützt ist,
- eine Elektrode (32), die mit dem Elektroden-Hauptteil (22) in elektrischer Verbindung steht,
- einen Düsen-Halter (24), der von Abschnitten des äußeren Isolierteils (23) getragen wird, und
- die Düse (14) vom Halter (24) und in der Nähe der Elektrode (32) und diese umgebend getragen wird.

10. Plasmalichtbogen-Brenner (16) nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch
- einen Zündbogen-Hauptteil (20) zwischen dem äußeren Iso­ lierteil (17) und dem Elektroden-Hauptteil (22),
- einem inneren Isolierteil (21) zwischen dem Zündbogen- Hauptteil (20) und dem Elektroden-Hauptteil (22),
- eine längsgerichtete Gasstrom-Öffnung (13) durch den Elek­ troden-Hauptteil (22), und wobei das Innere der Elektrode (32) im wesentlichen hohl ist und mit der längsgerichteten Gasstrom-Öffnung (13) im Elektroden-Hauptteil (22) in Fluidverbindung steht, derart, daß ein durch den Elektro­ den-Hauptteil (22) gelenktes Gas in das Innere der Elek­ den-Hauptteil (22) gelenktes Gas in das Innere der Elek­ trode (32) gelangt und zur Kühlung der Elektrode (32) wäh­ rend des Arbeitens mit dem Plasmalichtbogen beiträgt, und
- eine Einrichtung (42) im Elektroden-Hauptteil (22) zum Len­ ken eines Fluides aus dem Innern der Elektrode (32) sowohl ins Innere als auch an die Außenseite der Düse (14), der­ art, daß ein ins Innere der Düse (14) gerichteter Gasstrom in Gegenwart einer aureichenden elektrischen Potentialdif­ ferenz einen Plasmalichtbogen erzeugt, und ein auf die Au­ ßenseite der Düse (14) gerichteter Gasstrom zur Kühlung der Düse (14) und Ablenken von Spritzern (S) von einem Werk­ stück (15) beiträgt, wenn der Gasstrom über die divergie­ rende und konvergierende Außenfläche der Düse (14) hin­ wegströmt.

11. Plasmalichtbogen-Brenner (16) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Lenkeinrichtung einen vom Elektroden-Hauptteil (22) getragenen Elektrodenadapter (42) aufweist mit
- einem im wesentlichen zylindrischen Hauptteil mit einer diesen auf seiner ganzen Länge durchsetzenden längsgerich­ teten Öffnung (43),
- im zylindrischen Hauptteil einem ersten Satz in Umfangs­ richtung beabstandeter Öffnungen (44) rechtwinkling zu und in Fluidverbindung mit der längsgerichteten Öffnung (43) zum Herstellen einer Fluidverbindung zwischen dem Innern der Elektrode (32) und der Außenseite der Düse (14), und
- einem zweiten Satz in Umfangsrichtung beabstandeter Öffnun­ gen (45) rechtwinklig zu und in Fluidverbindung mit der längsgerichteten Öffnung (43) zum Herstellen einer Fluid­ verbindung zwischen dem Innern der Elektrode (32) und dem Innern der Düse (14),
wobei der Elektrodenadapter (42) den Elektroden-Hauptteil (22) und mit ihm in Verbindung stehende Teile des Brenners (16) gegen einen katastrophalen Ausfall der Elektrode (32) schützt.

12. Plasmalichtbogen-Brenner (16) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (24) ferner eine Vielzahl Öffnungen (35, 37) auf­ weist, die mit der Fluid-Lenkeinrichtung (Elektrodenadapter 42) im Elektroden-Hauptteil (22) in Fluidverbindung stehen, um einen Kühlgastrom (C) vom Elektroden-Hauptteil (22) zur Außen­ seite der Düse (14) zu lenken.