DE102021005500B4 - Process for plasma cutting of valuable items - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Plasmaschneiden von Werkstücken, bei dem mindestens ein Plasmaschneidbrenner (2) mit zumindesteinem Plasmabrennerkörper (2.7),einer Elektrode (2.1) undeiner Düse (2.2), durch deren Düsenöffnung (2.2.1) zumindest ein Plasmagas (PG) oder Plasmagasgemisch strömt und die den Plasmastrahl (3) einschnürt, eingesetzt wird, wobei das Verfahren umfasst:- Positionieren des Plasmaschneidbrenners (2) in Bezug zu einem Werkstück (4),- Zünden eines Pilotlichtbogens zwischen der Elektrode (2.1) und der Düse (2.2) des Plasmaschneidbrenners (2) und Erzeugen eines übertragenen Plasmalichtbogens zwischen der Elektrode (2.1) des Plasmaschneidbrenners (2) und dem Werkstück (4),- Einstechen des Plasmastrahls (3) in das Werkstück (4), bis der Plasmastrahl (3) durch das Werkstück (4) hindurch ist, und- danach Schneiden des Werkstücks (4) durch Führen des Plasmaschneidbrenners (2) mit einer Vorschubgeschwindigkeit v4 in einem Plasmabrennerabstand d4 vom Werkstück (4) bei einem Schneidstrom I4,so dass eine Schnittfuge (450) mit einer Schnittfugenbreite (452) entsteht, wobei vor dem Einstechen des Plasmastrahls (3) in und durch das Werkstück (4) eine Ausspülung (410) ausgebildet wird, indem das Werkstück (4) von der Werkstückoberfläche (4.1) her zumindest für eine Zeitdauer t2 derart dem Plasmastrahl (3) ausgesetzt wird, dass Material des Werkstücks (4) von der Werkstückoberfläche (4.1) her abgetragen wird und die Ausspülung (410) entsteht,dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Abstand (411) zwischen einer durch den Plasmaschneidbrenner (2) beschriebenen Kontur (430) und einer Kante (413) der entstandenen Ausspülung (410) kleiner ist als der kleinste Abstand (412) der durch den Plasmaschneidbrenner (2) beschriebenen Kontur (430)Method for plasma cutting of workpieces, in which at least one plasma cutting torch (2) with at least one plasma torch body (2.7), an electrode (2.1) and a nozzle (2.2), through the nozzle opening (2.2.1) of which at least one plasma gas (PG) or plasma gas mixture flows and which constricts the plasma jet (3), is used, the method comprising: - positioning the plasma cutting torch (2) in relation to a workpiece (4), - igniting a pilot arc between the electrode (2.1) and the nozzle (2.2) of the plasma cutting torch (2) and generating a transferred plasma arc between the electrode (2.1) of the plasma cutting torch (2) and the workpiece (4), - piercing the plasma jet (3) into the workpiece (4) until the plasma jet (3) has passed through the workpiece (4), and - then cutting the workpiece (4) by guiding the plasma cutting torch (2) at a feed rate v4 in a plasma torch distance d4 from the workpiece (4) at a cutting current I4, so that a cutting gap (450) with a cutting gap width (452) is created, wherein before the plasma jet (3) penetrates into and through the workpiece (4), a flushing (410) is formed by exposing the workpiece (4) from the workpiece surface (4.1) to the plasma jet (3) at least for a time period t2 in such a way that material of the workpiece (4) is removed from the workpiece surface (4.1) and the flushing (410) is created, characterized in that the smallest distance (411) between a contour (430) described by the plasma cutting torch (2) and an edge (413) of the resulting flushing (410) is smaller than the smallest distance (412) of the contour (430) described by the plasma cutting torch (2)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaschneiden von Werkstücken, insbesondere zum Lochschneiden.The invention relates to a method for plasma cutting of workpieces, in particular for hole cutting.
Als Plasma wird ein thermisch hoch aufgeheiztes elektrisch leitfähiges Gas bezeichnet, das aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht.Plasma is a thermally highly heated, electrically conductive gas that consists of positive and negative ions, electrons, and excited and neutral atoms and molecules.
Als Plasmagas werden unterschiedliche Gase, z.B. das einatomige Argon oder Helium und/oder die zweiatomigen Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Diese Gase ionisieren und dissoziieren durch die Energie des Plasmalichtbogens.Different gases are used as plasma gas, e.g. the monatomic argon or helium and/or the diatomic gases hydrogen, nitrogen, oxygen or air. These gases ionize and dissociate due to the energy of the plasma arc.
Der Plasmastrahl kann in seinen Parametern durch die Gestaltung der Düse und Elektrode stark beeinflusst werden. Diese Parameter des Plasmastrahls sind z. B. der Strahldurchmesser, die Temperatur, Energiedichte und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases.The plasma jet's parameters can be greatly influenced by the design of the nozzle and electrode. These parameters of the plasma jet include the jet diameter, temperature, energy density and the flow velocity of the gas.
Beim Plasmaschneiden beispielsweise wird das Plasma durch eine Düse, die gas- oder wassergekühlt sein kann, eingeschnürt. Dazu verfügt die Düse über eine Düsenbohrung, durch die der Plasmastrahl strömt. Dadurch können Energiedichten bis 2 × 106 W/cm2 erreicht werden. Im Plasmastrahl treten Temperaturen bis 30.000°C auf, die in Verbindung mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases sehr hohe Schneidgeschwindigkeiten an allen elektrisch leitfähigen Werkstoffen realisieren.In plasma cutting, for example, the plasma is constricted by a nozzle that can be gas or water cooled. The nozzle has a nozzle hole through which the plasma jet flows. This allows energy densities of up to 2 × 10 6 W/cm 2 to be achieved. Temperatures of up to 30,000°C occur in the plasma jet, which, in conjunction with the high flow speed of the gas, enable very high cutting speeds on all electrically conductive materials.
Das Plasmaschneiden ist heute ein etabliertes Verfahren zum Schneiden elektrisch leitender Werkstoffe, wobei je nach Schneidaufgabe unterschiedliche Gase und Gasgemische eingesetzt werden.Plasma cutting is now an established process for cutting electrically conductive materials, with different gases and gas mixtures being used depending on the cutting task.
Plasmabrenner weisen üblicherweise einen Plasmabrennerkörper auf, in dem eine Elektrode und eine Düse befestigt sind. Zwischen ihnen strömt das Plasmagas und tritt durch die Düsenbohrung austritt. Meistens wird das Plasmagas durch eine Gasführung, die zwischen der Elektrode und der Düse angebracht ist, geführt und kann in Rotation gebracht werden. Moderne Plasmabrenner verfügen zudem über eine Zuführung für ein Sekundärmedium, entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit. Die Düse wird dann von einer Sekundärgaskappe umgeben. Die Düse wird insbesondere bei flüssigkeitsgekühlten Plasmabrennern durch eine Düsenkappe, wie beispielsweise in
Die Sekundärgaskappe schützt die Düse und die Düsenkappe vor der Wärme oder dem herausspritzenden geschmolzenen Metall des Werkstücks, insbesondere beim Einstechen des Plasmastrahls in den Werkstoff des zu schneidenden Werkstücks. Außerdem schafft es um den Plasmastrahl beim Schneiden eine definierte Atmosphäre.The secondary gas cap protects the nozzle and nozzle cap from the heat or molten metal splashing out of the workpiece, especially when the plasma jet penetrates the material of the workpiece to be cut. It also creates a defined atmosphere around the plasma jet during cutting.
Zum Plasmaschneiden un- und niedriglegierter Stähle, auch Baustähle genannt, bspw. S235 und S355 nach DIN EN 10027-1, werden als Plasmagase meist Luft, Sauerstoff oder Stickstoff oder ein Gemisch daraus verwendet. Als Sekundärgase kommen ebenfalls meist Luft, Sauerstoff oder Stickstoff oder ein Gemisch daraus zur Anwendung, wobei die Zusammensetzung und Volumenströme des Plasmagases und des Sekundärgases meist unterschiedlich sind, aber auch gleich sein können.For plasma cutting of unalloyed and low-alloyed steels, also known as structural steels, e.g. S235 and S355 according to DIN EN 10027-1, air, oxygen or nitrogen or a mixture thereof are usually used as plasma gases. Air, oxygen or nitrogen or a mixture thereof are also usually used as secondary gases, whereby the composition and volume flows of the plasma gas and the secondary gas are usually different, but can also be the same.
Zum Plasmaschneiden hochlegierter Stähle und nichtrostender Stähle, bspw. 1.4301 (X5CrNi10-10) oder 1.4541 (X6CrNiTi18-10), werden als Plasmagase meist Stickstoff, Argon, ein Argon-Wasserstoff-Gemisch, ein Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch oder ein Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch eingesetzt. Grundsätzlich ist auch der Einsatz von Luft als Plasmagas möglich, jedoch führt der Sauerstoffanteil in der Luft zur Oxidation der Schnittflächen und damit zur Verschlechterung der Schnittqualität. Als Sekundärgas kommen ebenfalls meist Stickstoff, Argon, ein Argon-Wasserstoff-Gemisch, ein Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch oder ein Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch eingesetzt, zur Anwendung, wobei die Zusammensetzung und Volumenströme des Plasmagases und des Sekundärgases meist unterschiedlich sind, aber auch gleich sein können.For plasma cutting of high-alloy steels and stainless steels, e.g. 1.4301 (X5CrNi10-10) or 1.4541 (X6CrNiTi18-10), nitrogen, argon, an argon-hydrogen mixture, a nitrogen-hydrogen mixture or an argon-hydrogen-nitrogen mixture are usually used as plasma gases. In principle, the use of air as a plasma gas is also possible, but the oxygen content in the air leads to oxidation of the cutting surfaces and thus to a deterioration in the cutting quality. Nitrogen, argon, an argon-hydrogen mixture, a nitrogen-hydrogen mixture or an argon-hydrogen-nitrogen mixture are also usually used as secondary gases, whereby the composition and volume flows of the plasma gas and the secondary gas are usually different, but can also be the same.
Im Folgenden wird das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem beschrieben.The problem underlying the present invention is described below.
Hier soll mit Vorschubgeschwindigkeit v die Geschwindigkeit gemeint sein, mit der ein Plasmabrenner relativ und parallel zu einer Werkstückoberfläche bewegt wird. Die geschieht in der Regel durch ein Führungssystem, bspw. durch eine CNC-gesteuerte Koordinatenführungsmaschine oder einen Roboter.Here, the feed rate v refers to the speed at which a plasma torch is moved relative to and parallel to a workpiece surface. This is usually done by a guidance system, e.g. a CNC-controlled coordinate guidance machine or a robot.
Übliche Anordnungen zum Plasmaschneiden sind in den
Der Plasmaschneidbrenner 2 besteht im Wesentlichen aus einem Plasmabrennerkörper 2.7 mit einem Strahlerzeugungssystem, umfassend die Elektrode 2.1, die Düse 2.2 und eine Gaszuführung 2.3 für Plasmagas PG. Der Plasmabrennerkörper 2.7 nimmt weiterhin die Zuführung der Medien (Gas, Kühlwasser und elektrischen Strom) auf.The
Bei der Elektrode 2.1 des Plasmaschneidbrenners 2 handelt es sich üblicherweise um eine nicht abschmelzende Elektrode 2.1, die im Wesentlichen aus einem Hochtemperaturwerkstoff, wie z.B. Wolfram, Zirkonium oder Hafnium, besteht und dadurch eine sehr lange Lebensdauer hat. Oft besteht die Elektrode 2.1 aus zwei miteinander verbundenen Teilen, einem Elektrodenhalter 2.1.1, der aus gut elektrisch und wärmeleitendem Material (z. B. Kupfer, Silber, Legierungen daraus) gebildet ist, und einem hochschmelzenden Emissionseinsatz 2.1.2 mit geringer Elektronenaustrittsarbeit (wie z.B. Hafnium, Zirkonium, Wolfram). Die Düse 2.2 besteht meist aus Kupfer und schnürt den Plasmastrahl 3 ein. Zwischen der Elektrode 2.1 und der Düse 2.2 kann eine Gasführung 2.6 für das Plasmagas PG, die das Plasmagas in Rotation versetzt, angeordnet sein. In dieser Ausführungsform wird der Teil des Plasmaschneidbrenners 2, aus dem der Plasmastrahl 3 aus der Düse 2.2 austritt, als Plasmabrennerspitze 2.8 bezeichnet. Der Abstand zwischen der Plasmabrennerspitze 2.8 und der Werkstückoberfläche 4.1 ist mit d bezeichnet.The electrode 2.1 of the
In
Für den Schneidprozess wird zunächst ein Pilotlichtbogen, der zwischen Elektrode 2.1 und Düse 2.2 mit geringem elektrischem Strom (z.B. 10 A - 30 A) und damit geringer Leistung brennt, z.B. mittels elektrischer Hochspannung, die durch das Hochspannungszündgerät 1.3 erzeugt wird, gezündet. Der Strom (Pilotstrom) des Pilotlichtbogens fließt durch die Leitung 5.1 zur Elektrode 2.1 und von der Düse 2.2 durch die Leitung 5.2 über den Schaltkontakt 1.4 und den elektrischen Widerstand 1.2 zur Stromquelle 1.1 und wird durch den elektrischen Widerstand 1.2 begrenzt. Dieser energiearme Pilotlichtbogen bereitet durch teilweise Ionisation die Strecke zwischen der Plasmabrennerspitze 2.8 und dem Werkstück 4 für den Schneidlichtbogen vor. Berührt der Pilotlichtbogen das Werkstück 4, kommt es durch den vom elektrischen Widerstand 1.2 erzeugten elektrischen Potentialunterschied zwischen Düse 2.2 und Werkstück 4 zur Ausbildung des Schneidlichtbogens. Dieser brennt dann zwischen der Elektrode 2.1 und dem Werkstück 4 mit meist größerem elektrischem Strom (z.B. 20 A bis 900 A) und damit auch mit größerer Leistung. Der Schaltkontakt 1.4 wird geöffnet und die Düse 2.2 von der Stromquelle 1.1 potentialfrei geschaltet. Diese Betriebsweise wird auch als direkte Betriebsweise bezeichnet. Dabei wird das Werkstück 4 der thermischen, kinetischen und elektrischen Wirkung des Plasmastrahls 3 ausgesetzt. Dadurch ist das Verfahren sehr effektiv und es können Metalle bis zu großen Dicken, z.B. 180 mm bei 600 A Schneidstrom mit einer Schneidgeschwindigkeit von 0,2 m/min, geschnitten werden.For the cutting process, a pilot arc is first ignited, which burns between the electrode 2.1 and nozzle 2.2 with a low electrical current (e.g. 10 A - 30 A) and thus low power, e.g. by means of high electrical voltage generated by the high-voltage ignition device 1.3. The current (pilot current) of the pilot arc flows through the line 5.1 to the electrode 2.1 and from the nozzle 2.2 through the line 5.2 via the switching contact 1.4 and the electrical resistance 1.2 to the power source 1.1 and is limited by the electrical resistance 1.2. This low-energy pilot arc prepares the path between the plasma torch tip 2.8 and the
Dazu wird der Plasmaschneidbrenner 2 mit einem Führungssystem (nicht dargestellt) relativ zu einem Werkstück 4 bzw. seiner Oberfläche 4.1 bewegt. Dies kann z. B. ein Roboter oder eine CNC-gesteuerte Führungsmaschine sein. Die Steuereinrichtung des Führungssystems kommuniziert mit der Anordnung nach
Im einfachsten Fall startet und beendet die Steuereinrichtung des Führungssystems den Betrieb des Plasmaschneidbrenners 2. Nach dem heutigen Stand der Technik können jedoch eine Vielzahl von Signalen und Informationen, z. B. über Betriebszustände und Daten, als nur EIN und AUS zwischen der Steuereinrichtung des Führungssystems und der Plasmaschneidanlage ausgetauscht werden.In the simplest case, the control device of the guidance system starts and stops the operation of the
Beim Plasmaschneiden können hohe Schnittqualitäten erreicht werden. Kriterien dafür sind beispielsweise eine geringe Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz nach DIN ISO 9013. Beim Einhalten der optimalen Schneidparameter, dazu gehören unter anderem der elektrische Schneidstrom, die Schneidgeschwindigkeit, der Abstand zwischen dem Plasmaschneidbrenner und dem Werkstück sowie der Gasdruck, können glatte Schnittflächen und bartfreie Kanten erreicht werden.High cutting qualities can be achieved with plasma cutting. Criteria for this include, for example, a low squareness and inclination tolerance according to DIN ISO 9013. By maintaining the optimal cutting parameters, which include the electrical cutting current, the cutting speed, the distance between the plasma cutting torch and the workpiece and the gas pressure, smooth cutting surfaces and burr-free edges can be achieved.
Eine typische Schneidaufgabe für das Plasmaschneiden ist das Ausschneiden einer oder mehrerer Konturen aus einem Werkstück. Dazu muss vor dem Schneiden der Kontur in das Werkstück 4 eingestochen und dieses durchgestochen werden. Der Plasmaschneidbrenner 2 wird dazu, wie in
Beim Einstechen, in
Nach dem Durchstechen des Werkstücks 4 spritzt das aufgeschmolzene Material aus der Werkstückunterseite 4.5 heraus und es kann geschnitten werden.After piercing the
So ist es üblicherweise beim Plasmaschneiden mit einem Schneidstrom von 300 A möglich, eine maximale Werkstückdicke von 80 mm zu schneiden und in eine maximale Werkstückdicke von 50 mm einzustechen.For example, when plasma cutting with a cutting current of 300 A, it is usually possible to cut a maximum workpiece thickness of 80 mm and to pierce a maximum workpiece thickness of 50 mm.
Dabei kommt es bereits ab einer Werkstückdicke 4.3 von 40 mm dazu, dass hochspritzendes Material 418 des aufgeschmolzenen Werkstücks 4 die Plasmabrennerspitze 2.8, die Düse 2.2 und Düsenspitze oder die Sekundärgaskappe 2.4 und die Sekundärgaskappenspitze berührt und durch seine hohe Temperatur beschädigt. Danach ist das Schneiden eines Bauteils aus dem Werkstück in guter Qualität oftmals nicht mehr möglich, da die den Schneidlichtbogen bzw. den Plasmastrahl 3 formende Düsenöffnung 2.2.1 und/oder die Sekundärgaskappenbohrung beschädigt und nicht mehr rund sind. Es kann sogar dazu kommen, dass die Düse 2.2 oder die Sekundärgaskappe 2.4 regelrecht zerstört werden, wenn sich ein parasitärer sogenannten Nebenlichtbogen, der von der Elektrode zur Düse und/oder Sekundärgaskappe und zum Werkstück brennt, ausbildet.As soon as the workpiece thickness 4.3 is 40 mm or more,
Beim Einstechen in noch dickeres Material kommt es mit hoher Sicherheit zur Beschädigung der Düse und/oder der Sekundärgaskappe, oftmals sogar zur Beschädigung des Plasmabrenners.When piercing even thicker material, there is a high probability of damage to the nozzle and/or the secondary gas cap, and often even damage to the plasma torch.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Beschädigung eines Plasmabrenners, einer Plasmabrennerspitze, insbesondere einer Düse, einer Düsenöffnung und/oder einer Sekundärgaskappe beim Einstechen in ein Werkstück durch hochspritzendes aufgeschmolzenes heißes Material zu vermeiden, zumindest aber zu verringern, um insbesondere auch in größere Blechdicken sicher einstechen zu können.The present invention is therefore based on the object of avoiding, or at least reducing, damage to a plasma torch, a plasma torch tip, in particular a nozzle, a nozzle opening and/or a secondary gas cap when piercing a workpiece due to splashing molten hot material, in order to be able to pierce safely, in particular, even into larger sheet thicknesses.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, Die Ausspülung kann auch als Mulde oder Vertiefung bezeichnet werden.According to the invention, this object is achieved by a method according to
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen desselben.The subclaims relate to advantageous further developments thereof.
Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die Herstellung einer Ausspülung auf einer Werkstückoberfläche vor dem Einstechen in und durch das Werkstück bspw. durch vom Schneiden abweichende Parameter, mit denen der Plasmaschneidbrenner betrieben bzw. bewegt wird, ein Einstechen in und durch gegenüber dem Stand der Technik dickeres Material sicher erfolgen kann.The present invention is based on the surprising finding that by producing a flush on a workpiece surface before piercing into and through the workpiece, for example by using parameters that differ from those used for cutting, with which the plasma cutting torch is operated or moved, piercing into and through material that is thicker than the prior art can be carried out safely.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen erläutert sind. Dabei zeigt:
-
1 eine Anordnung zum Plasmaschneiden gemäß dem Stand der Technik; -
2 eine weitere Anordnung zum Plasmaschneiden gemäß dem Stand der Technik; -
3 beispielhaft den Vorgang des Positionierens eines Plasmaschneidbrenners beim Plasmaschneiden; -
4 beispielhaft den Vorgang des Zündens eines Pilotbogens im Rahmen des Plasmaschneidens; -
5 beispielhaft den Vorgang des Einstechens eines Plasmastrahls beim Plasmaschneiden; -
6 bis 13 Einzelheiten eines Verfahrens zum Plasmaschneiden von Werkstücken gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
14 zeitliche Verläufe von Plasmabrennerabstand und Vorschubgeschwindigkeit gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und - Fig. 15zeitliche Verläufe von Plasmabrennerabstand und Vorschubgeschwindigkeit gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 a plasma cutting arrangement according to the prior art; -
2 another arrangement for plasma cutting according to the prior art; -
3 example of the process of positioning a plasma cutting torch during plasma cutting; -
4 example of the process of igniting a pilot arc during plasma cutting; -
5 an example of the process of piercing a plasma jet during plasma cutting; -
6 to 13 Details of a method for plasma cutting workpieces according to a particular embodiment of the present invention; -
14 temporal courses of plasma torch distance and feed rate according to a particular embodiment of the present invention; and - Fig. 15 Time courses of plasma torch distance and feed rate according to another particular embodiment of the present invention.
Dazu wird beispielhaft der Einstechprozess bis hin zum letztlichen Einstechen in und durch das Werkstück für Baustahl mit einer Materialdicke 4.3 von beispielhaft 60 mm und einem Schneidstrom I4 von beispielhaft 300 A erläutert. Beim Schneiden beträgt die Vorschubgeschwindigkeit v4 des Plasmaschneidbrenners 2 beispielhaft 300 mm/min und der Plasmabrennerabstand d4 beispielhaft 7 mm. Beim Schneiden wird als Plasmagas PG beispielhaft Sauerstoff und als Sekundärgas SG beispielhaft Luft eingesetzt. Die Schnittfugenbreite 452 der beim Schneiden entstehenden Schnittfuge 450 beträgt ca. 6,5 .mm.For this purpose, the piercing process up to the final piercing into and through the workpiece for structural steel with a material thickness 4.3 of, for example, 60 mm and a cutting current I4 of, for example, 300 A is explained as an example. When cutting, the feed speed v4 of the
Dabei kann der Einstechprozess hier beispielhaft im Wesentlichen in 4 Phasen unterteilt werden.
Phase 1: Positionieren des Plasmabrenners, Zünden des Pilotlichtbogens und Einleiten des Hauptlichtbogens
Phase 2: Ausspülen des Werkstücks von der Werkstückoberfläche her
Phase 3: Einstechen in und durch das Werkstück
Phase 4: SchneidenThe piercing process can essentially be divided into 4 phases.
Phase 1: Positioning the plasma torch, igniting the pilot arc and initiating the main arc
Phase 2: Rinsing the workpiece from the workpiece surface
Phase 3: Piercing into and through the workpiece
Phase 4: Cutting
Die Phasen können direkt ineinander übergehen und sich sogar teilweise überlappen. Es sind aber auch Übergangsvorgänge zwischen den Phasen und grundsätzlich auch weitere und/oder alternative Phasen möglich.The phases can merge directly into one another and even partially overlap. However, transition processes between the phases and, in principle, additional and/or alternative phases are also possible.
Der anodische Ansatzpunkt setzt nach Zündung des Pilotlichtbogens 3.1 von der Düse 2.2 zum Werkstück 4 über, ein Plasmastrahl 3 bildet sich aus und der Plasmabrennerabstand d wird von d1 auf d2 = 25 mm erhöht, wie in
Der Strom wird auf den Schneidstrom von beispielhaft 300 A erhöht. Die Vorschubgeschwindigkeit v, mit der der Plasmaschneidbrenner 2 gegenüber der Werkstückoberfläche 4.1 in Vorschubrichtung 10 bewegt wird, wird von v1 von beispielhaft 0 mm/min auf v2 von beispielhaft 2.800 mm/min erhöht. Diese ist vorteilhafterweise deutlich größer als die Vorschubgeschwindigkeit v4 beim Schneiden (Phase 4). Die Form der Kontur 430, die der Plasmabrenner 2 gegenüber der Werkstückoberfläche 4.1, von oben auf die Werkstückoberfläche 4.1 gesehen, mit der Vorschubgeschwindigkeit v2 beschreibt, ist in diesem Fall eine ovale Kontur 430 mit einer Größe von beispielsweise ca. 48 mm × 8 mm (
Insgesamt könnte man auch sagen, dass vorteilhafterweise der Energieeintrag in die Oberfläche pro Längeneinheit (mm) kleiner ist als beim Schneiden.Overall, one could also say that the energy input into the surface per unit length (mm) is advantageously smaller than when cutting.
Die
Der kleinste Abstand 411 zwischen der Kante 413 der entstandenen Ausspülung 410 und der durch den Plasmaschneidbrenner 2 beschriebenen ovalen Kontur 430 beträgt beispielhaft ca. 4,5 mm, der Abstand 412 der Längskanten der durch den Plasmaschneidbrenner 2 beschriebenen ovalen Kontur 430 beträgt beispielhaft 8mm. Damit ist in diesem Beispiel der Abstand 411 kleiner als der Abstand 412 und der Abstand 412 kleiner als das Doppelte des Abstands 411.The
Die
So spritzt das jetzt beim Einstechen, wie
Im Beispiel beträgt die Vorschubgeschwindigkeit v3 = 0 m/min. In der Phase 3 ist der Plasmabrennerabstand d3 mit 25 mm gleich dem Plasmabrennerabstand d2 während des Abtragens gewählt. Der Plasmabrennerabstand d3 ist größer als der Plasmabrennerabstand d4 beim Schneiden (Phase 4).In the example, the feed rate is v3 = 0 m/min. In
Nachdem das Werkstück 4 durchstochen wurde, wie in
Dabei zeigt die
In den
Beispielsweise kann insbesondere zwischen der Phase 3 und der Phase 4 eine weitere Phase 5 mit einer Zeit t5 vorgesehen sein, bei der sich der Plasmabrennerabstand d5 und/oder die Vorschubgeschwindigkeit d5 von denjenigen/derjenigen oder denjenigen der Phasen 3 und 4 unterscheidet/n.For example, in particular between
Dies ist besonders sinnvoll, wenn sich ein auf der Werkstückoberfläche befindlicher Anteil ausgeschmolzenen Materials befindet, dann gilt:
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, zwischen den Phasen oder mindestens zwei Phasen Pausen einzufügen, bspw. um das Werkstück 4 oder den Plasmaschneidbrenner 2 abkühlen zu lassen oder Spritzer des aufgeschmolzenen Werkstücks 4 auf der Werkstückoberfläche 4.1 zu entfernen. In Pausen kann der Strom I beispielsweise „0“ sein.It is also possible to insert pauses between the phases or at least two phases, for example to allow the
In jeder Phase kann der Vektor der Vorschubgeschwindigkeit grundsätzlich neben einer zur Werkstückoberfläche parallelen Komponente, d. h. in dem in den Figuren eingezeichneten rechtwinkligen Koordinatensystem, von dem die y-Achse in die Zeichenebene (senkrecht) hinein verläuft, in der x-y-Ebene, auch noch eine zur Werkstückoberfläche senkrechte Komponente (z-Komponente) aufweisen. Diese würde dann die Änderung des Parameters d bewirken.In every phase, the vector of the feed rate can in principle be a component parallel to the workpiece surface, i.e. in the rectangular coordinate system shown in the figures, of which the y-axis runs into the plane of the drawing (perpendicular), in the xy-plane, also still have a component perpendicular to the workpiece surface (z-component). This would then cause the change in the parameter d.
Zumindest in den Übergängen zwischen den Phasen ändert sich in Beispielen d. Damit gibt es die senkrechte Komponente von v.At least in the transitions between the phases, d changes in examples. Thus, there is the vertical component of v.
Im beschriebenen Beispiel wurden für das Abtragen bzw. die Erzeugung der Ausspülung 410 (Phase 2) eine höhere Vorschubgeschwindigkeit v2 als die Vorschubgeschwindigkeit v4 beim Schneiden und ein höherer Plasmabrennerabstand d2 als der Plasmabrennerabstand d4 beim Schneiden (Phase 4) gewählt. Der Strom I2 hat hier vorteilhafterweise die gleiche Größe wie der Schneidstrom I4 beim Schneiden.In the example described, a higher feed rate v2 than the feed rate v4 during cutting and a higher plasma torch distance d2 than the plasma torch distance d4 during cutting (phase 4) were selected for the removal or generation of the flushing 410 (phase 2). The current I2 here advantageously has the same size as the cutting current I4 during cutting.
Es sind aber auch andere Kombinationen der Parameter beispielsweise gemäß der Ansprüche 3 bis 9 möglich. Dabei kommt es vor allem darauf an, diese so zu kombinieren, dass das von der Werkstückoberfläche 4.1 her hochspritzende aufgeschmolzenen Material 418 seitlich so wegspritzt, dass es den Plasmabrenner 2, insbesondere seine Düse 2.2 oder seine Sekundärgaskappe oder seien Plasmabrennerspitze 2.8 nicht oder nur zu einem geringen Anteil berührt und somit nicht beschädigt.However, other combinations of the parameters are also possible, for example according to
So ist zum Beispiel möglich, während der Phase 2 des Abtragens und Ausspülens mit folgenden gegenüber dem Schneiden (Phase 4) veränderten Parametern zu arbeiten:
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und/oder
- - mit einem geringeren Strom I2 als I4 und/oder
- - mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und/oder
- - mit einem geringeren Druck p12 des Plasmagases PG als p14 und/oder
- - mit einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Plasmagases als m14 und/oder
- - mit einem geringeren Druck p22 des Sekundärgases SG als p24 und/oder
- - mit einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Sekundärgases als m24 und/oder
- - mit einer Zusammensetzung des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren oxidierenden Anteil während der
Phase 2 aufweist, und/oder - - mit einer Zusammensetzung des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der
Phase 2 aufweist, und/oder - - mit einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren oxidierenden Anteil während der
Phase 2 aufweist, und/oder - - mit einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der
Phase 2 aufweist.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and/or
- - with a lower current I2 than I4 and/or
- - with a larger plasma torch distance d2 than d4 and/or
- - with a lower pressure p12 of the plasma gas PG than p14 and/or
- - with a lower volume and/or mass flow m12 of the plasma gas than m14 and/or
- - with a lower pressure p22 of the secondary gas SG than p24 and/or
- - with a lower volume and/or mass flow m12 of the secondary gas than m24 and/or
- - with a composition of the plasma gas or plasma gas mixture which has a lower oxidising content during
phase 2, and/or - - with a composition of the plasma gas or plasma gas mixture which has a lower reducing content during
phase 2, and/or - - with a composition of the secondary gas or secondary gas mixture that has a lower oxidising content during
phase 2, and/or - - with a composition of the secondary gas or secondary gas mixture which has a lower reducing content during
phase 2.
Dabei sind auch unterschiedliche Kombinationen der Parameter möglich.Different combinations of parameters are also possible.
Für eine besonders einfache Umsetzung ist es sinnvoll, das Abtragen bzw. Ausspülen nicht mit allen gegenüber dem Schneiden geänderten aufgeführten Parameter zu ändern, sondern möglichst nur drei, besser nur zwei geänderte Parameter zu verwenden.For a particularly simple implementation, it is advisable not to change the removal or rinsing with all of the parameters listed that have been changed compared to the cutting, but to use only three, or better still only two, changed parameters.
Folgende Kombinationen sollen zum besseren Verständnis beispielhaft genannt sein:
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4.
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem geringeren Druck p12 des Plasmagases PG als p14.
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 des Plasmagases als m14.
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem geringeren Druck p22 des Sekundärgases SG als p24.
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Sekundärgases als m24.
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einer Zusammensetzung des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil aufweist.
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil aufweist.
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren oxidierenden Anteil aufweist.
- - Mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit v2 als v4 und einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil aufweist.
- - Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einem geringeren Druck p12 des Plasmagases PG als p14.
- - Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Plasmagases als m14.
- - Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einem geringeren Druck p22 des Sekundärgases SG als p24.
- - Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einem geringeren Volumen- und/oder Massestrom m12 der Sekundärgases als m24.
- - Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einer Zusammensetzung des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der
Phase 2 aufweist. - - Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 des Plasmagases oder Plasmagasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der
Phase 2 aufweist. - - Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren oxidierenden Anteil während der
Phase 2 aufweist. - - Mit einem größeren Plasmabrennerabstand d2 als d4 und einer Zusammensetzung des Sekundärgases oder Sekundärgasgemisches, das einen geringeren reduzierenden Anteil während der
Phase 2 aufweist.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and a larger plasma torch distance d2 than d4.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and a lower pressure p12 of the plasma gas PG than p14.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and a lower volume and/or mass flow m12 of the plasma gas than m14.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and a lower pressure p22 of the secondary gas SG than p24.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and a lower volume and/or mass flow m12 of the secondary gas than m24.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and a composition of the plasma gas or plasma gas mixture that has a lower reducing content.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and the plasma gas or plasma gas mixture having a lower reducing content.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and a composition of the secondary gas or secondary gas mixture that has a lower oxidizing content.
- - With a higher feed rate v2 than v4 and a composition of the secondary gas or secondary gas mixture that has a lower reducing content.
- - With a larger plasma torch distance d2 than d4 and a lower pressure p12 of the plasma gas PG than p14.
- - With a larger plasma torch distance d2 than d4 and a lower volume and/or mass flow m12 of the plasma gas than m14.
- - With a larger plasma torch distance d2 than d4 and a lower pressure p22 of the secondary gas SG than p24.
- - With a larger plasma torch distance d2 than d4 and a lower volume and/or mass flow m12 of the secondary gas than m24.
- - With a larger plasma torch distance d2 than d4 and a composition of the plasma gas or plasma gas mixture which has a lower reducing content during
phase 2. - - With a larger plasma torch distance d2 than d4 of the plasma gas or plasma gas mixture which has a lower reducing content during
phase 2. - - With a larger plasma torch distance d2 than d4 and a composition of the secondary gas or secondary gas mixture which has a lower oxidising content during
phase 2. - - With a larger plasma torch distance d2 than d4 and a composition of the secondary gas or secondary gas mixture which has a lower reducing content during
phase 2.
Es sind jedoch auch anderen Kombinationen möglich.However, other combinations are also possible.
Mit oxidierendem Anteil ist der Anteil in Volumenprozent an oxidierendem Gas, bspw. Sauerstoff oder Kohlendioxid, im Plasmagas oder Sekundärgas gemeint. Mit reduzierendem Anteil ist der Anteil in Volumenprozent an reduzierendem Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Methan, im Plasmagas oder Sekundärgas gemeint.The oxidizing portion is the proportion in volume percent of oxidizing gas, e.g. oxygen or carbon dioxide, in the plasma gas or secondary gas. The reducing portion is the proportion in volume percent of reducing gas, e.g. hydrogen or methane, in the plasma gas or secondary gas.
Beispielhaft werden nachfolgend vorteilhafte Parameter angegeben. Die nachfolgende Tabelle stellt den Bezug zwischen den Parametern und den entsprechenden Bezugszeichen her.
(1) Diese Zeit ist abhängig von der Größe des auszuschneidenden Bauteils.Advantageous parameters are given below as examples. The following table shows the relationship between the parameters and the corresponding reference symbols.
(1) This time depends on the size of the component to be cut out.
Beispiel 1Example 1
Beispiel 2Example 2
Beispiel 3Example 3
Beispiel 4Example 4
Beispiel 5Example 5
Beispiel 6Example 6
Beispiel 7Example 7
Beispiel 8Example 8
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- Plasmaschneidanlageplasma cutting system
- 1.11.1
- Stromquellepower source
- 1.21.2
- Pilotwiderstandpilot resistor
- 1.31.3
- Hochspannungszündgeräthigh-voltage igniter
- 1.41.4
- Schaltkontaktswitching contact
- 22
- Plasmaschneidbrennerplasma cutting torch
- 2.12.1
- Elektrodeelectrode
- 2.1.12.1.1
- Elektrodenhalterelectrode holder
- 2.1.22.1.2
- Emissionseinsatzemissions use
- 2.22.2
- Düsenozzle
- 2.2.12.2.1
- Düsenöffnungnozzle opening
- 2.32.3
- Gaszuführung Plasmagasgas supply plasma gas
- 2.42.4
- Sekundärgaskappesecondary gas cap
- 2.52.5
- Sekundärgaszuführung Sekundärgassecondary gas supply secondary gas
- 2.62.6
- Gasführung für Plasmagasgas supply for plasma gas
- 2.72.7
- Plasmabrennerkörperplasma torch body
- 2.82.8
- Plasmabrennerspitzeplasma torch tip
- 2.92.9
- Gasführung für Sekundärgasgas supply for secondary gas
- 33
- Plasmastrahlplasma jet
- 3.13.1
- Pilotlichtbogenpilot arc
- 44
- Werkstückworkpiece
- 4.14.1
- Werkstückoberflächeworkpiece surface
- 4.34.3
- Werkstückdickeworkpiece thickness
- 4.54.5
- Werkstückunterseiteunderside of the workpiece
- 55
- Zuleitungensupply lines
- 5.15.1
- Leitung Schneidstromcutting current line
- 5.25.2
- Leitung Pilotstrompilot current line
- 5.35.3
- Leitung Werkstück - PlasmaschneidanlageWorkpiece - Plasma Cutting System Management
- 5.45.4
- Leitung Plasmagasplasma gas line
- 5.55.5
-
Leitung Sekundärgas 1
secondary gas line 1 - 66
- Gasversorgunggas supply
- 1010
- Vorschubrichtung des Plasmaschneidbrennersfeed direction of the plasma cutting torch
- 410410
- Ausspülungflushing
- 411411
-
Abstand Kontur 430 und Kante 413 der Ausspülung 410Distance between
contour 430 and edge 413 of flushing 410 - 412412
-
Abstand der Längskanten der Kontur 430Distance between the longitudinal edges of the
contour 430 - 413413
- Kante der Ausspülungedge of the flush
- 415415
- Kontur der Ausspülung auf der WerkstückoberflächeContour of the flushing on the workpiece surface
- 417417
- Tiefe der Ausspülungdepth of the washout
- 418418
- aufgeschmolzenes hochspritzendes Material des Werkstücksmolten, splashing material from the workpiece
- 419419
- maximale Länge der Ausspülung 410 entlang der Werkstückoberflächemaximum length of the flushing 410 along the workpiece surface
- 420420
- Breite der Ausspülung entlang der WerkstückoberflächeWidth of the flushing along the workpiece surface
- 421421
- Schräge der Ausspülung zur Kante hinslope of the flushing towards the edge
- 423423
- aufgeschmolzenes aus der Werkstückunterseite wegspritzendes Materialmolten material spraying out from the underside of the workpiece
- 430430
- Kontur, mit der der Plasmabrenner gegenüber der Werkstückoberfläche geführt wirdContour with which the plasma torch is guided relative to the workpiece surface
- 450450
- Schnittfugekerf
- 452452
- Schnittfugenbreitekerf width
- dd
- Plasmabrennerabstand, Abstand Plasmabrennerspitze - WerkstückoberflächePlasma torch distance, distance plasma torch tip - workpiece surface
- d1d1
-
Plasmabrennerabstand, Abstand Plasmabrennerspitze - Werkstückoberfläche in Phase 1Plasma torch distance, distance plasma torch tip - workpiece surface in
phase 1 - d2d2
-
Plasmabrennerabstand, Abstand Plasmabrennerspitze - Werkstückoberfläche in Phase 2Plasma torch distance, distance plasma torch tip - workpiece surface in
phase 2 - d3d3
-
Plasmabrennerabstand in Phase 3Plasma torch distance in
phase 3 - d4d4
-
Plasmabrennerabstand, Abstand Plasmabrennerspitze - Werkstückoberfläche beim Schneiden in Phase 4Plasma torch distance, distance plasma torch tip - workpiece surface during cutting in
phase 4 - d5d5
-
Plasmabrennerabstand in Phase 5Plasma torch distance in
phase 5 - I1I1
-
Strom in Phase 1electricity in
phase 1 - I2I2
-
Strom in Phase 2electricity in
phase 2 - I3I3
-
Strom in Phase 3electricity in
phase 3 - I4I4
-
Strom in Phase 4, (Schneidstrom)current in
phase 4, (cutting current) - mm
- Massestrommass flow
- m1m1
- Massestrom Plasmagasmass flow of plasma gas
- m11m11
-
Massestrom Plasmagas in Phase 1Mass flow of plasma gas in
phase 1 - m12m12
-
Massestrom Plasmagas in Phase 2Mass flow of plasma gas in
phase 2 - m13m13
-
Massestrom Plasmagas in Phase 3Mass flow of plasma gas in
phase 3 - m14m14
-
Massestrom Plasmagas in Phase 4Mass flow of plasma gas in
phase 4 - m2m2
- Massestrom Sekundärgasmass flow of secondary gas
- m21m21
-
Massestrom Sekundärgas in Phase 1mass flow of secondary gas in
phase 1 - m22m22
-
Massestrom Sekundärgas in Phase 2mass flow of secondary gas in
phase 2 - m23m23
-
Massestrom Sekundärgas in Phase 3mass flow of secondary gas in
phase 3 - m24m24
-
Massestrom Sekundärgas in Phase 4mass flow of secondary gas in
phase 4 - PGPG
- Plasmagasplasma gas
- p1p1
- Plasmagasdruckplasma gas pressure
- p11p11
-
Plasmagasdruck in Phase 1plasma gas pressure in
phase 1 - p12p12
-
Plasmagasdruck in Phase 2plasma gas pressure in
phase 2 - p13p13
-
Plasmagasdruck in Phase 3plasma gas pressure in
phase 3 - p14p14
-
Plasmagasdruck in Phase 4plasma gas pressure in
phase 4 - p2p2
- Sekundärgasdrucksecondary gas pressure
- p21p21
-
Sekundärgasdruck in Phase 1secondary gas pressure in
phase 1 - p22p22
-
Sekundärgasdruck in Phase 2secondary gas pressure in
phase 2 - p23p23
-
Sekundärgasdruck in Phase 3secondary gas pressure in
phase 3 - p24p24
-
Sekundärgasdruck in Phase 4secondary gas pressure in
phase 4 - SGSG
- Sekundärgassecondary gas
- vv
- Vorschubgeschwindigkeitfeed rate
- v1v1
-
Vorschubgeschwindigkeit in Phase 1feed rate in
phase 1 - v2v2
-
Vorschubgeschwindigkeit in Phase 2feed rate in
phase 2 - v3v3
-
Vorschubgeschwindigkeit in Phase 3feed rate in
phase 3 - v4v4
- Vorschubgeschwindigkeit beim Schneiden (in Phase 4)feed rate during cutting (in phase 4)
- v5v5
-
Vorschubgeschwindigkeit in Phase 5feed rate in
phase 5
Claims (26)
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE102004049445A1 (en) | 2004-10-08 | 2006-04-20 | Kjellberg Finsterwalde Elektroden Und Maschinen Gmbh | plasma torch |
EP2939782A1 (en) | 2014-05-02 | 2015-11-04 | Air Liquide Welding France | Plasma arc-cutting method and facility with improved drilling cycle |
-
2021
- 2021-11-08 DE DE102021005500.4A patent/DE102021005500B4/en active Active
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |