DE1440541B2 - Elektrisches plasmageraet zum erhitzen, schneiden und schweissen eines werkstuecks - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Plasmagerät zum Erhitzen, Schneiden und Schweißen

eines Werkstücks, wobei das Gerät mit zwei getrenn- 65 stehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In

ten Stromquellen betrieben ist und die eine Strom- den Zeichnungen zeigt

quelle zwischen einer inneren und einer äußeren F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsge-

Elektrode des Gerätes geschaltet ist. mäßes Plasmagerät zum Schneiden eines Werkstücks,

in Form eines Wirbels bzw. längs einer Schraubenlinie um die kegelförmige innere Elektrode 10 herum und tritt in Wirbelform durch den Ringspalt 18 am Umfang des äußeren Endes der inneren Elektrode 10 aus. Danach strömt das sich immer noch längs einer Schraubenlinie bewegende Gas weiter nach unten durch den zylindrischen Teil des Düsenkanals 17 und gegen das Werkstück 28, das gegenüber der Mündung der Düse angeordnet ist. Bei dem Werk-

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1, wobei die Mittel zum Einführen des Gases in tangentialer Richtung zwecks Erzeugung eines verwirbelten Gasstroms zu sehen sind,

Fig. 3 das Gerät von Fig. 1, jedoch beim Verschweißen von zwei stumpf aneinanderstoßenden Werkstücken,

Fig.4 im Längsschnitt zwei einander gegenüber angeordnete Plasmageräte mit Mitteln zum Erzeugen

eines Lichtbogens zwischen den äußeren Elektroden io stück 28 handelt es sich um eine Metallplatte, die der beiden Geräte, durchgeschnitten werden soll; die Schnittfläche ist in

F i g. 1 bei 29 angedeutet.

Eine erste Stromquelle 31 ist durch Leitungen 32 und 33 mit dem Anschlußstück 12 und der äußeren 15 Elektrode 11 verbunden, um einen ersten Lichtbogen zwischen der inneren Elektrode 10 und der äußeren Elektrode 11 zu erzeugen, und eine zweite Stromquelle 34 ist über Leitungen 35 und 36 an die äußere Elektrode 11 und das Werkstück 28 angeschlossen, äußere Elektrode 11. Die innere Elektrode 10 ist all- 20 um einen zweiten, davon getrennten Lichtbogen, gemein kegelförmig, und ihr Basisteil ist mit dem Bo- d. h. den überspringenden Lichtbogen, zwischen der den eines mit seiner Öffnung nach unten angeordne- Düsenelektrode und dem Werkstück 28 zu erzeugen, ten becherförmigen Anschlußstücks 12 verbunden. Bei den Stromquellen 31 und 34 kann es sich um ge-Die innere Elektrode ist vorzugsweise hohl, d. h., sie eignete Quellen für Gleichstrom oder ein- öder mehrist mit einer Kühlmittelkammer 13 versehen, die 25 phasigen Wechselstrom handeln,
durch den Boden des Anschlußstücks 12 abgeschlos- Der erste Lichtbogen, der sich zwischen der Spitze

sen wird. Leitungen 14 ermöglichen es, Wasser oder der inneren Elektrode 10 und der Wand des Düsenein anderes geeignetes Kühlmittel durch die Kammer kanals 17 an . dessen zylindrischem Abschnitt er-13 zirkulieren zu lassen, streckt, bewirkt eine Erhitzung und Ionisierung des

Die in Fig. 1 gezeigte äußere Elektrode 11 ist all- 30 Gases zum Zwecke der Erzeugung eines Plasmas. Da gemein becherförmig ausgebildet, und der untere dieses Plasma gegen das Werkstück 28 geleitet wird,

F i g. 5 einen Längsschnitt durch ein Plasmagerät, bei dem der zweite Lichtbogen zwischen einer vor die äußere Elektrode gesetzten zusätzlichen Elektrode und dem Werkstück verläuft, und

F i g. 6 einen Querschnitt längs der Linie 6-6 von Fig.5.

Das in F i g. 1 und 2 gezeigte Plasmagerät umfaßt eine innere Elektrode 10 und eine die Düse bildende

Teil ihrer Außenwand 16 besitzt eine große Dicke. Durch den dickwandigen unteren Teil 16 der äußeren Elektrode 11 erstreckt sich ein Düsenkanal 17, der gleichachsig mit der inneren Elektrode 10 angeordnet ist. Der Düsenkanal 17 umfaßt einen zylindrischen Abschnitt, der sich von der Spitze bzw. dem zum Erzeugen eines Lichtbogens dienenden Ende der inneren Elektrode 10 aus nach unten erstreckt, sowie

wirkt es in der in Fig. 1 bei 39 angedeuteten Weise als elektrische Leitung, durch die sich der zweite bzw. der überspringende Lichtbogen erstreckt.

Die durch die Stromquellen 31 und 34 zugeführte Energie und andere Betriebsgrößen werden so eingeregelt, daß das Werkstück 28 durchschnitten wird, so daß die Schnittfläche 29 entsteht. Das durch den Lichtbogen zum Schmelzen gebrachte Metall wird

einen kegelförmigen Abschnitt, der das freie Ende 40 durch das mit hoher Geschwindigkeit strömende Gas der inneren Elektrode umgibt und von diesem durch fortgeblasen.

einen Ringspalt 18 getrennt ist. Der einen Bestandteil Da das Gas den Brenner in Form eines Wirbels

des Düsenkanals 17 bildende Ringspalt 18 ist in je- durchströmt, wird der Lichtbogen zwischen der innedem zur Achse der inneren Elektrode 10 rechtwinkli- ren Elektrode 10 und der äußeren Elektrode 16 gen Querschnitt einförmig. In der Wand 16 ist eine 45 durch den Gaswirbel stabilisiert. Außerdem wird dieden Düsenkanal 17 und den Ringspalt 18 umgebende ser Lichtbogen durch das Gas auf einen kleineren Kühlmittelkammer 19 ausgebildet, und es sind Leitungen 20 vorgesehen, so daß man Wasser durch die
Kammer 19 zirkulieren lassen kann.

Die obere Seitenwand 22 der äußeren Elektrode 11 erstreckt sich nach oben zu einem radial außerhalb des becherförmigen Anschlußstücks 12 liegenden Punkt, und innerhalb der Seitenwand 22 ist ein allgemein rohrförmiges Isolierstück 23 angeordnet,

durch das die beiden Elektroden voneinander ge- 55 sache zu rechnen, daß der sich zu dem Werkstück 28 trennt gehalten werden. Die Innenfläche des Isolier- erstreckende Lichtbogen nicht durch die innere Elekstücks 23 fluchtet mit der Innenfläche des Anschluß- trode verläuft, so daß dieser Lichtbogen nicht zu Stücks 12, und diese beiden Innenflächen bilden die einer Erhitzung und zu einer Herabsetzung der Le-Umfassungswand einer ringförmigen Gaswirbelkam- bensdauer der inneren Elektrode führt. Ein weiterer mer 24, durch die hindurch sich die innere Elektrode 60 Vorteil des Geräts besteht darin, daß es mit Hilfe der 10 erstreckt. Diese Flächen und die Wand des Du- beiden getrennten Stromquellen 31 und 34 möglich senkanals 17 sind Rotationsflächen, deren Achse
mit der Längsachse des Brenners zusammenfällt.

Von einer geeigneten Quelle 26 aus wird ein Gas über eine Leitung 27, die gemäß F i g. 2 tangential zu der Kammer 24 verläuft, in die Kammer eingeführt. Das in die Kammer 24 eingeleitete Gas strömt daher

Durchmesser zusammengedrängt, als ihn der Lichtbogen in einem freien Raum normalerweise annehmen würde.

Es hat sich gezeigt, daß das Gerät nach F i g. 1 und 2 unter Anwendung des beschriebenen Verfahrens hohe Schneidgeschwindigkeiten ermöglicht und daß die Schnittfläche 29 überraschend glatt ist. Zu den weiteren Vorteilen der Erfindung ist die Tatist, die beiden Lichtbogen unabhängig voneinander zu regeln, ohne daß Energie in Widerständen vernichtet zu werden braucht.

Das soeben beschriebene Gerät ist in besonders vorteilhafter Weise bei Schweißarbeiten anwendbar, wie sie in F i g. 3 schematisch dargestellt sind. Dabei ist das Werkstück 28 durch zwei abgeschrägte Plat-

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ten 37 und 38 ersetzt, die so angeordnet sind, daß ein und der inneren Elektrode 46 jedes Plasmageräts

stumpfer Stoß entsteht, damit man die Platten mit- liegt eine Stromquelle 59, so daß das den Brenner

einander verschweißen kann. Zu diesem Zweck re- verlassende Gas erhitzt wird, um ein heißes Gas oder

gelt man die durch die Stromquellen 31 und 34 züge- Plasma 61 zu erzeugen. Da die beiden Brenner

führte Energie und andere Betriebsgrößen so ein, 5 gleichachsig einander gegenüber angeordnet sind,

daß die heißen Gase nicht durch das Werkstück hin- vereinigen sich die beiden Plasmaströme 61 zu einem

durchgeblasen werden, wie es bei der Herstellung des einzigen Strom, wie es in Fi g. 4 angedeutet ist.

Schnittes 29 nach F i g. 1 geschieht, sondern daß die Eine zweite Stromquelle 62 liegt zwischen den die

Gase nur in die V-förmige Rille zwischen den abge- Düsen bildenden äußeren Elektroden 44 der beiden

schrägten Kanten der Metallplatten eintreten und io Brenner, so daß sich ein überspringender Lichtbogen

dort eine Pfütze aus geschmolzenem Schweißmaterial durch das Plasma 61 zwischen den äußeren Elektro-

erzeugen. den 44 bildet. Auf diese Weise wird eine große Ener-

Die Geschwindigkeit des heißen Gases oder Pias- giemenge in das Plasma 61 eingeführt, um eine Kammas 39 kann auf Grund des Arbeitens mit zwei mer oder ein Werkstück zu erhitzen oder um ein Lichtbogen vorteilhafterweise auf einen sehr niedri- 15 Werkstück zu schneiden oder Schweißarbeiten daran gen Wert herabgesetzt werden, bei dem das ge- auszuführen. Bei den Stromquellen 59 und 62 kann schmolzene Metall nicht mehr fortgeblasen wird; es sich um Gleichstromquellen oder um ein- oder hierdurch wird das unerwünschte Verspritzen von mehrphasige Wechselstromquellen handeln.
Metall vermieden. Somit kann man das Gerät nach In F i g. 5 und 6 ist eine Ausführungsform darge-F i g. 3 zum Herstellen einer Schweißnaht benutzen; 20 stellt, die von gleicher Konstruktion ist wie die in hierbei führt man ein geeignetes Füllmetall in Form F i g. 1 und 2 gezeigte, und aus diesem Grund sind eines Pulvers oder eines Stabes zu, z. B. in Gestalt ihre Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichdes in F i g. 3 gezeigten Schweißstabes 41. net; ein Unterschied besteht jedoch darin, daß eine

Es sei bemerkt, daß das becherförmige Anschluß- zusätzliche ringförmige Elektrode 63 zwischen der

stück 12 aus einem geeigneten elektrisch gut leiten- 35 äußeren Elektrode 11 und dem Werkstück 28 bzw.

den Metall wie Kupfer bestehen kann; die innere im Falle des Schweißens gegenüber den Werkstücken

Elektrode 10 ist aus einem geeigneten hitzebeständi- 37 und 38 angeordnet ist. Diese Elektrode 63 kann

gen Metall wie Wolfram hergestellt, und die äußere in Form einer Scheibe aus Kupfer od. dgl. ausgebil-

Elektrode 11 besteht aus einem geeigneten Metall, det sein und eine zylindrische zentrale Öffnung 64

z.B. aus Kupfer. Bei dem von der Quelle 26 aus zu- 30 aufweisen, die gleichachsig mit dem Düsenkanal 17

geführten Gas kann es sich um Argon, Stickstoff, angeordnet ist. Die die Öffnung 64 begrenzende

Wasserstoff, Helium usw. beziehungsweise um Gemi- Wand ist von einer Kühlmittelkammer 66 umgeben,

sehe aus diesen Gasen handeln, und das betreffende der über eine Leitung 67 Kühlwasser zugeführt wer-

Gas oder Gasgemisch wird in die Kammer 24 unter den kann. Die Elektrode 63 ist gegenüber der äuße-

einem geeigneten Druck eingeleitet. 35 ren Elektrode 11 durch eine isolierende Scheibe 68

F i g. 4 zeigt ein erstes Plasmagerät 42 und ein aus hitzebeständigem Material isoliert,

zweites Plasmagerät 43, die von gleicher Konstruk- Die Stromquelle 34 liegt hier nicht direkt zwischen

tion sein können. Jedes der beiden Plasmageräte be- dem Werkstück und der äußeren Elektrode 11, son-

sitzt eine becherförmige, die Düse bildende äußere dem zwischen dem Werkstück und der zusätzlichen

Elektrode 44 und eine scheibenförmige innere Elek- 40 Elektrode 63. Daher verläuft die Zuleitung 35 α nicht

trode 46. Die Elektroden sind auf geeignete Weise zu der äußeren Elektrode 11, sondern zu der zusätz-

gleichachsig angeordnet und durch einen ringförmi- liehen Elektrode 63.

gen Isolator 47 gegeneinander isoliert. Ein Düsenka- Beim Betrieb der Vorrichtung nach F i g. 5 nal 48 erstreckt sich durch die Mitte der äußeren und 6 wird die Gasquelle 26 so betrieben, daß das Elektrode 44 gleichachsig mit einer Gaswirbelkam- 45 Gas tangential in die Wirbelkammer 24 eingeführt mer 49, die durch den becherförmigen Teil der Düse wird und dann über den Düsenkanal 17 und die und die innere Elektrode 46 abgegrenzt wird. Die au- öffnung 64 der zusätzlichen Elektrode 63 ausströmt, ßere Elektrode 44 und die innere Elektrode 46 sind Die Stromquelle 31 dient zum Aufrechterhalten eines zum Zweck der Wasserkühlung mit Kühlmittelkam- Lichtbogens zwischen der inneren Elektrode 10 und mern 51 bzw. 52 und Rohrleitungen 53 bzw. 54 aus- 50 der Wand des Düsenkanals 17, so daß das Gas ergerüstet; ferner sind hitzebeständige Einsatzstücke 56 hitzt und ionisiert wird. Die Stromquelle 34 dient und 57 aus Wolfram od. dgl. vorgesehen. dazu, einen zweiten, gesonderten bzw. überspringen-

Beim Betrieb des Geräts von Fig. 4 wird das be- den Lichtbogen zwischen der Elektrode 63 und dem treffende Gas über tangential zu den Kammern 49 Werkstück 28 aufrechtzuerhalten; dieser Lichtbogen verlaufende Leitungen 58 in tangentialer Richtung in 55 verwendet das ionisierte Gas als leitendes Medium, die Wirbelkammern 49 eingeführt; die Leitungen 58 Gemäß F i g. 5 dient das heiße Gas zusammen mit sind an eine geeignete Quelle für Argon oder ein an- dem überspringenden Lichtbogen 39 dazu, das deres Gas angeschlossen. Das Gas durchströmt die Werkstück 28 zu durchschneiden und eine Schnitt-Kammern in Form eines Wirbels bzw. längs einer fläche 29 zu erzeugen. Jedoch kann man dasselbe Schraubenlinienbahn und tritt dann aus dem Düsen- 60 Gerät auch in der aus F i g. 3 ersichtlichen Weise kanal 48 aus. Zwischen der äußeren Elektrode 44 zum Schweißen und zu anderen Zwecken benutzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Gemäß einem älteren Vorschlag (deutsche Patentschrift 1157 321) wird ein elektrisches Plasmagerät der vorgenannten Art dazu verwendet, ein in einem Gasstrom mitgeführtes Metallpulver auf dem Werk-5 stück aufzuschweißen, wobei das Pulver von dem düsenförmig ausgebildeten Ende der äußeren Elektrode in den Plasmastrahl eingeführt wird. Die innere Elektrode ist als Stabelektrode ausgebildet, und zur zusätzlichen Erwärmung des Werkstücks ist vorge-
2. elektrode (63) isoliert angeordnet ist und die zweite Stromquelle (34) zwischen der Ringscheibenelektrode (63) und dem Werkstück (29) geschaltet ist.
3. 3. Plasmagerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (10) ein wassergekühlter Hohlkonus ist und dessen Vorderende in den trichterförmigen Anfangs-

   Patentansprüche:

   1. Elektrisches Plasmagerät zum Erhitzen, Schneiden und Schweißen eines Werkstückes, wobei das Gerät mit zwei getrennten Stromquellen betrieben ist und die eine Stromquelle zwischen einer inneren und einer äußeren Elektrode des Gerätes geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle

   (34) zwischen der äußeren Elektrode (16) und io sehen, daß ein zweiter Lichtbogen zwischen der Stabdem Werkstück (28) geschaltet ist und dadurch elektrode und dem Werkstück gebildet wird, ein durch den ersten zwischen der inneren Elek- Es ist bekannt (deutsche Patentschrift 1 066 676), trode (10) und der äußeren Elektrode (16) über- bei einem elektrischen Plasmagerät, das eine äußere gehenden und durch deren Öffnung (17) hin- Elektrode und eine in dieser angeordnete innere Stabdurchtretenden Lichtbogen ausgelöster zweiter 15 elektrode aufweist, eine einen Lichtbogen speisende Lichtbogen von der äußeren Elektrode (16) zum Stromquelle zwischen die Stabelektrode und einen Werkstück (28) gebildet ist. zwischen Werkstück und Austrittsende der äußeren

   2. Plasmagerät nach Anspruch 1, dadurch ge- Elektrode befindlichen Schmelzdraht zu schalten und kennzeichnet, daß an der Austrittsöffnung (17) eine zweite, einen weiteren Lichtbogen speisende der äußeren Elektrode (16) eine an sich bekannte 20 Stromquelle zwischen diesen Draht und das Werkzweckmäßigerweise wassergekühlte Ringscheiben- stück zu schalten. Die erstgenannte Stromquelle dient

   dabei gleichzeitig dazu, einen über einen Widerstand begrenzten Hilfslichtbogen zwischen der inneren Stabelektrode und der äußeren Elektrode zu zünden. 25 Dieser Hilfslichtbogen relativ geringer Intensität hat lediglich den Zweck, ein Verlöschen der Hauptlichtbogen zu verhindern.

   Es ist ferner ein elektrisches Plasmagerät der eingangs genannten Art bekannt (USA.-Patentschrift

   teil der zylindrischen äußeren Elektrode (16) ein- 30 2 945 119), bei dem an die äußere Elektrode eine taucht und daß der nichteintauchende Teil der in- rohrförmige Düse zum Führen des Plasmastrahls anneren Elektrode (10) von einem ringförmigen gesetzt ist und zwecks Konzentrierung des Plasma-Wirbelraum (24) umschlossen ist, dem in an sich Strahls innerhalb dieser rohrförmigen Düse zwei axial bekannter Weise Gas tangential zugeführt wird. im Abstand voneinander angeordnete Ringelektro-
4. 4. Plasmagerät nach Anspruch 1 oder 2, da- 35 den vorgesehen sind, zwischen denen mittels einer durch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode weiteren Stromquelle eine axial verlaufende Entlaaus einer in der Mitte eine Einsatzscheibe (57) dung unterhalten wird, deren Plasma von einer umaus hochschmelzendem Material aufweisenden gebenden Striktionsspule konzentriert wird. Scheibe besteht, die isoliert den Wirbelraum (49), Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein dem das Gas tangential zugeführt wird, ab- 40 elektrisches Plasmagerät der eingangs genannten Art schließt. zu schaffen, dessen Lichtbogenenergie durch eine
5. 5. Anordnung unter Anwendung eines Pias- zweite, getrennt arbeitende Stromquelle beeinflußbar magerätes nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ist.

   zeichnet, daß zwei Plasmageräte nach Anspruch 1 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

   auf entgegengesetzten Seiten eines gemeinsamen 45 löst, daß die zweite Stromquelle zwischen der äuße-Werkstückes einander gegenüberliegend angeord- ren Elektrode und dem Werkstück geschaltet ist und net sind. dadurch ein durch den ersten zwischen der inneren
6. 6. Plasmagerätanordnung unter Anwendung Elektrode und der äußeren Elektrode übergehenden getrennter Stromquellen, von denen die eine und durch deren öffnung hindurchtretenden Licht-Stromquelle zwischen einer inneren und einer 5° bogen ausgelöster zweiter Lichtbogen von der äußeeinen Gaswirbelraum bildenden und eine Gasaus- ren Elektrode zum Werkstück gebildet ist. trittsöffnung aufweisenden äußeren Elektrode Bei dem erfindungsgemäßen Plasmagerät wird angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein- durch den zwischen der inneren und der äußeren ander gegenüberliegend zwei Plasmageräte an- Elektrode gebildeten Lichtbogen das erforderliche geordnet sind und eine zusätzliche Stromquelle 55 Plasma erzeugt, welches etwa unter Zuführung eines (62) an die beiden äußeren Elektroden (42) ange- üblicherweise verwendeten Schutzgasstroms in Richtung zu dem Werkstück geleitet wird und als leitendes Medium für den zweiten, zwischen der äußeren Elektrode und dem Werkstück gebildeten Lichtbogen

   60 dient, mit dem die jeweils erforderliche zusätzliche Aufheizung des Plasmas erfolgt. Die Lebensdauer der inneren Elektrode wird durch diese zusätzliche Energiezuführung nicht beeinträchtigt.

   Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach

   schaltet ist und daß die Austrittsöffnungen (48) der äußeren Elektroden (42) von Einsatzstücken (56) aus hitzebeständigem Material (Wolfram) umschlossen sind.