DE3032335C2

DE3032335C2 - Plasmabrenner.

Info

Publication number: DE3032335C2
Application number: DE3032335A
Authority: DE
Inventors: Josef Florence S.C. Yerushalmy
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: ESAB AB
Priority date: 1979-08-28
Filing date: 1980-08-27
Publication date: 1983-12-08
Also published as: GB2057951B; US4311897A; CA1162617A; DE3032335A1; GB2057951A

Description

offenbar der untere lichtbogeneinschnürende Kanal eine sekundäre Lichtbogeneinschnürung, welche die primäre Lichtbogeneinschnürung, im oberen Kanal beeinflußt Es wird insgesamt ein Plasmalichtbogen gebildet der sich durch Variieren der relativen Abmessungen der die beiden Kanäle bildenden Düsenkomponenten kontrollieren läßt

Vorzugsweise beträgt die Länge des ersten lichtbogeneinschnürenden Kanals zwischen dem Zwei- und dem Dreifachen der Summe der Länge des zweiten lichtbogenein^crfinürenden Kanals und der Wasserkammer. Als besonders günstig erwiesen sich eine Länge des ersten lichtbogeneinschnürenden Kanals von 4,1 mm bis 9,1 mm und eine Länge des zweiten lichtbogeneinschnürenden Kanals von 1,8 mm bis 4,1 mm.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Plasmalichtbogenbrenners,

Fig.2 in größerem Maßstab einen Längsschnitt der Düsenanordnung des Brenners nach F i g. 1,

F ig. 3 einen Querschnitt der Düsenanordnung entlang der Linie 3-3 der F i g. 2 und

Fig.4 eine graphische Darstellung des Betriebsverhaltens des Brenners nach Fig. 1, dargestellt als die Brennerabstandsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Länge des unteren lichtbogeneinschnürenden Kanals.

Der Plasmalichtbogenbrenner 10 weist eine Düsenan-Ordnung 12 und eine nichtabschmelzende Elektrodenanordnung 14 auf, die vorzugsweise aus Kupfer gefertigt und mit einem Eünsatz 16 aus Wolfram oder thoriertem Wolfram versehen ist der als Kathode dient. Die Elektrodenanordnung 14 ist mit einem Brennerkörper 18 verbunden, der einen Gaskanal 20 und einen Flüssigkeitskanal 22 aufweist. Der Brennerkörper ist von einem äußeren, isolierten Gehäuse 24 umgeben.

Ein Rohr 26 sitzt innerhalb einer Mittelbohrung 28 der Elektrodenanordnung 14, um ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser, durch die Elektrodenanordnung 14 hindurch zirkulieren zu lassen. Der Durchmesser des Rohrs 26 ist kleber als der Durchmesser diT Bohrung 28, um einen Raum 29 zu bilden, durch den das Wasser hindurchströmen kann, nachdem es aus dem Rohr 26 austritt. Das Wasser strömt von einer nicht gezeigten Quelle aus durch das Rohr 26 hindurch und über den Raum 29 zurück an einer öffnung 32 im Brenvierkörper 18 vorbei sowie in den Kanal 22 hinein. Der Kanal 22 läßt Kühlwasser in die Düsenanordnung 12 gelangen, wo der Wasserstrom in einen den Plasmalichtbogen umgebenden Wirbel umgewandelt wird. Gas gelangt von einer nicht veranschaulichten Quelle aus über den Gaskanal 20, einen konventionellen Gasleitkörper 34 aus hochtemperaturfestem keramischem Werkstoff und Einlaßöffnungen 38 in eine Gaskammer 36. Die Einlaßöffnungen 38 sind in bekannter Weise so angeordnet, daß das in die Gaskammer 36 einströmende Gas zu einer Wirbelbewegung veranlaßt wird. Das Gas strömt aus der Gaskammer 36 über lichtbogeneinsehnürende Kanäle 40 und 42 der Düsenanordnung 12 aus. Die mit dem Brennerkörper 18 verbundene Elektrodenanordnung 14 hält den keramischen Gasleitkörper 34 und einen Isolationskörper 35 aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff an Ort und Stelle. Der Körper 35 sorgt für eine elektrische Isolation der Düsenanordnung 12 gegenüber der Elektrodenanordnung 14.

Die Düsenanordnung 12 wird von einer Düsenkappe 44 abgestützt die mit dem Gehäuse 24 des Brennerkopfes in lösbarem Eingriff steht Die Düsenanordnung 12 weist einen oberen Hauptkörper 48 und einen unteren Teil 50 auf. Der untere Teil 50 kann »us Metall bestehen, ist aber vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise Aluminiumoxid, gefertigt der untere Teil 50 ist von dem oberen Hauptkörper 48 durch einen Abstandshalter 52 aus Kunststoff und einen Wirbelring 54 getrennt Der zwischen dem oberen Hauptkörper 48 und dem unteren Teil 50 vorhandene Raum bildet eine Wasserkammer 55. Der Kanal 40 im Hauptkörper 48 ist mit der Längsachse der Elektrodenanordnung 14 des Brenners axial ausgerichtet Der Kanal 40 ist zylindrisch und benachbart der Gaskammer 36 mit einem abgeschrägten Ende 56 versehen, wobei der Schrägungswinke! vorzugsweise 45° beträgt

Der lichtbogeneinschnürende Kanal 42 ist eine im unteren Teil 50 ausgebildete zylindrische Bohrung, die mittels einer aus Kunststoff gefertigten Zentrierhülse 58 mit dem lichtbogeneinschnürenden Kanal 40 des Hauptkörpers 48 axial ausgerichtet gehalten wird. Die Zentrierhülse 58 weist an ihrem einen Ende eine Lippe 59 auf, die in eine Kerbe 60 des Hauptkörpers 48 lösbar eingreift Die Zentrierhülse 58 sitzt unter Vorspannung zwischen dem oberen Hauptkörper 48 und dem unteren Teil 50. Der Wirbelring 54 und der Abstandshalter 52 werden montiert bevor das untere Teil 50 in die Zentrierhülse 58 eingesetzt wird. Das Wasser strömt von dem Kanal 22 durch eine öffnung 65 zu Injektionsöffnungen 67, über welche das Wasser in die Wasserkammer55 hineingetrieben wird. Die Injektionsöffnungen 67 sind entsprechend F i g. 3 tangential um den Wirbelring 54 herum angeordnet um das Wasser zu veranlassen, in der Wasserkammer 55 einen Wirbelstrom auszubilden. Das Wasser verläßt die Wasserkammer 55 über den lichtbogeneinschnürenden Kanal 42 im unteren Teil 50.

Eine nicht veranschaulichte Stromquelle ist an die mit einem metallischen Werkstück in Reihe geschaltete Elektrodenanordnung 14 angeschlossen, wobei das Werkstück im allgemeinen geerdet wird. Ein Plasmalichtbogen wird zwischen dem Kathodeneinsatz 16 des Brenners 10 and dem Werkstück ausgebildet. Die Bildung des Plasmalichtbogens erfolgt auf herkömmliche Weise, indem zwischen der Elektrodenanordnung 14 und der Düsenanordnung 12 kurzzeitig ein Hilfslichtbogen gebildet wird, der dann durch die lichtbogeneinschnürenden Kanäle 40 und 42 hindurch auf das Werkstück übertragen wird. Jeder der lichtbogeneinschnürenden Kanäle 40 und 42 trägt zu der Intensivierung und Bündelung des Lichtbogens bei. Durch Anwendung des Wasserwirbels wird ein optimales Betriebsverhalten sichergestellt

Es zeigte sich, daß eine wechselseitige Verknüpfung zwischen den Abmessungen der lichtbogeneinschnürenden Kanäle 40 und 42 sowie der Länge des Wasserspalts Wg in der Wasserkammer 55 besteht. Insbesondere steht die Länge L\ des in F i g. 2 oberen Kanals 40 in Beziehung zu der Summe aus der Länge L₂ des unteren Kanals 42 und der Länge des Wasserspalts Wg, der den oberen vom unteren Kanal trennt. Diese Beziehung läßt sich mathematisch definieren als:

L₁ = K(Wg + L₂)

wobei K ein konstanter Multiplikationsfaktor ist. Die Gesamtschnittgüte wird bei minimaler Brennerabstandsempfindlichkeit maxiniiert, wenn K größer als 1

und kleiner als etwa 4 ist. Optimale Verhältnisse werden erhalten, wenn K zwischen 2 und 3 liegt.

Der Durchmesser Di des unteren lichtbogeneirschnürenden Kanals 42 muß über seine volle Länge L₂ im wesentlichen konstant sein. Es zeigte sich, daß bei einem solchen Brenneraufbau die Länge des unteren Kanals L2 der wichtigste Faktor für die Beherrschung der Brennerabstandsempfindlichkeit ist. Dies wird durch die F i g. 4 bestätigt. Der untere Teil 50 muß infolgedessen relativ dick sein. Der optimale Bereich für die Länge L2 des unteren Kanals liegt zwischen 1,8 und 4,1 mm. Innerhalb dieses Bereichs ist die Brennerabstandsempfindlichkeit minimiert. Die Anwendung eines bevorzugten Bereichs für den Wasserspalt Wg von 2,5 bis 5,1 mm führt zu einem optimalen Bereich für L\ von 4,1 bis 9,1 mm.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Vorteile des erläuterten Plasmabrenners gegenüber bekannten Brennern, wobei mit einer im bevorzugten Bereich liegenden Länge L2 des unteren Kanals und einem K-Wert zwischen 1 und 4 gearbeitet wird. In jedem der folgenden Beispiele beträgt die Wasserdurchflußmenge 1,44 l/min, während die Plasmadurchflußmenge bei 3,96 mVh liegt.

Beispiel 1

Höhere Schneidgeschwindigkeit

Kohlenstoffstahlplatte von 25,4 mm Dicke
400A

bisherige maximale Schneidgeschwindigkeit 0,76 m/min

Schneidgeschwindigkeit des vorliegenden Brenners 1,27 m/min
5

Beispiel 2

Größerer Bereich der Schneidgeschwindigkeit für ein schlackefreies Schneiden
Kohlenstoffstahlplatte von 12,7 mm Dicke 350A

bisheriger Bereich 2,29—2,36 m/min Bereich des vorliegenden Brenners 2,16-2,92 m/min

Beispiel 3

Größerer und weniger empfindlicher Brennerabstand
Verwendung einer 3,96 mm- Düse (275-400 A)

bisheriger Brennerabstand 6,35 mm ± 1,59 mm Brennerabstand des vorliegenden Brenners 9,52 mm ± 3,18 mm

Der Durchmesser Di des unteren lichtbogeneinschnürenden Kanals 42 sollte zweckmäßig größer als der Durchmesser D\ des oberen lichtbogeneinschnürenden Kanals 40 sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Patentansprüche: Brenner hinein sowie in Wirbelform um den Lichtbogen herum- und durch die lichtbogeneinschnürenden Kanäle

1. Plasmabrenner mit einer nichtabschmelzenden hindurchleitbar ist, und eine Einrichtung aufweist, Elektrode, die zusammen mit einem Werkstück in mittels deren in die Wasserkammer ein Flüssigkeitsden Stromkreis einer Stromquelle zwecks Ausbil- 5 strahl zum Umhüllen des wirbeiförmigen Gasstroms dung eines übertragenen Plasmalichtbogens zwi- und des Lichtbogens in dem zweiten lichtbogeneinschen der Elektrode und dem Werkstück legbar ist, schnürenden Kanal einleitbar ist, wobei die beiden und mit einer den Plasmalichtbogen bündelnden und lichtbogeneinschnürenden Kanäie jeweils vorbestimmeinschnürenden Düsenanordnung, die einen ersten te Längen haben, die untereinander und mit der Länge lichtbogeneinschnürenden Kanal, dessen Längsach- 10 der die Kanäle trennenden Wasserkammer entsprese mit der Längsachse der Elektrode ausgerichtet ist, chend einer vorbestimmten Beziehung verknüpft sind, einen mit dem ersten lichtbogeneinschnürenden Bei einem bekannten Plasmabrenner dieser Art Kanal koaxial ausgerichteten zweiten lichtbogenein- (DE-AS 21 30 394) stehen im Bereich des Lichtbogens schnürenden Kanal, der über seine volle Länge einen die Längen von erstem lichtbogeneinschnürendem im wesentlichen konstanten Durchmesser hat, eine 15 Kanal, Wasserkammer und zweitem lichtbogeneindie beiden lichtbogeneinschnürenden Kanäle tren- schnürendem Kanal in einem Verhältnis von etwa nende Wasserkammer, eine Einrichtung, mittels 16 :4,5:13,5. Der Flüssigkeitsstrahl setzt die Neigung zu deren ein Gasstrom in den Brenner hinein sowie in einer Doppelbogenbildung herab. Insbesondere dann, Wirbelform um den Lichtbogen herum- und durch wenn die Flüssigkeit zu einer Wirbelbewegung in der die beiden lichtbogeneinschnürenden Kanäie hin- 20 gleichen Richtung wie der Gasstrom veranlaßt wird, durchleitbar ist und eine Einrichtung aufweist, lassen sich Qualitätsschnitte auch bei dicken Werkstükmittels deren in die Wasserkammer ein Flüssigkeits- ken relativ leicht erhalten. Für jede Gruppe von strahl zum Umhüllen des wirbeiförmigen Gasstroms Arbeitsbedingungen gibt es bei einem solchen Plasma- und des Lichtbogens in dem zweiten lichtbogenein- brenner einen optimalen Brennerabstand, worunter schnürenden Kanal einleitbar ist, wobei die beiden 25 vorliegend der Abstand zwischen dem Ende des lichtbogeneinschnürenden Kanäle jeweils vorbe- Brenners und dem Werkstück verstanden wird. Bei stimmte Längen haben, die untereinander und mit bekannten Plasmalichtbogenbrennern ist das Betriebsder Länge der die Kanäle trennenden Wasserkam- verhalten in hohem Maße empfindlich gegenüber mer entsprechend einer vorbestimmten Beziehung Änderungen des Brennerabstands. Eine Änderung des verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, 30 Brenherabstands von mehr als etwa 1,5 mm führt zu daß die Länge (L\) des ersten lichtbogeneinschnü- schlechten Schnitten und läßt in erheblichem Umfang renden Kanals (40) größer als die Summe der anhaftende Schlacke entstehen. Außerdem läßt die Längen (L₂ und Wg) des zweiten lichtbogenein- erzielbare Schneidgeschwindigkeit zu wünschen übrig, schnürenden Kanals (42) und der die Kanäle (40,42) Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen trennenden Wasserkammer (55) sowie kleiner als 35 Plasmabrenner für einen Betrieb mit übertragenem das Vierfache dieser Summe ist Lichtbogen zu schaffen, der gegenüber Änderungen des

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch Abstandes zwischen Brenner und Werkstück innerhalb gekennzeichnet, daß die Länge (L\) des ersten eines ausgedehnten Bereichs weitgehend unempfindlich lichtbogeneinschnürenden Kanals (40) zwischen ist, der einen Betrieb mit wesentlich erhöhter Schneiddem Zwei- und dem Dreifachen der Summe der 40 geschwindigkeit sowie einen weiteren Schneidge-Länge (Li und Wg) des zweiten lichtbogeneinschnü- schwindigkeitsbereich für ein schlackcnfreies Schneiden renden Kanals (42) und der Wasserkammer (55) zuläßt.

beträgt. Ausgehend von einem Plasmabrenner der eingangs

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (Li) des 45 dadurch gelöst, daß die Länge des ersten lichtbogeneinersten lichtbogeneinschnürenden Kanals (40) 4,1 mm schnürenden Kanals größer als die Summe der Längen bis 9,1 mm und die Länge (L₂) des zweiten des zweiten lichtbogeneinschnürenden Kanals und der lichtbogeneinschnürenden Kanals (42) 1,8 mm bis die Kanäle trennenden Wasserkammer sowie kleiner als 4,1 mm beträgt. das Vierfache dieser Summe ist.

50 Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die

Länge des ersten lichtbogeneinschnürenden Kanals

bezogen auf die Summe der Länge des zweiten lichtbogeneinschnürenden Kanals und der Länge der

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einer die Kanäle trennenden Wasserkammer die Gesamtnichtabschmelzenden Elektrode, die zusammen mit 55 schnittgüte und den Schneidgeschwindigkeitsbereich für einem Werkstück in den Stromkreis einer Stromquelle ein schlackefreies Schneiden bestimmt und daß die zwecks Ausbildung eines übertragenen Plasmalichtbo- Länge des zweiten lichtbogeneinschnürenden Kanals gens zwischen der Elektrode und dem Werkstück legbar erheblichen Einfluß auf die Empfindlichkeit gegenüber ist, und mit einer den Plasmalichtbogen bündelnden und Änderungen des Brennerabstands und die Schneidgeeinschnürenden Düsenanordnung, die einen ersten 60 schwindigkeit des Brenners hat. Dadurch, daß das lichtbogeneinschnürenden Kanal, dessen Längsachse erfindungsgemäße Abmessungsverhältnis zwischen den mit der Längsachse der Elektrode ausgerichtet ist, einen lichtbogeneinschnürenden Kanälen und der Wassermit dem ersten lichtbogeneinschnürenden Kanal koaxial kammer aufrechterhalten wird, läßt sich die Empfindausgerichteten zweiten lichtbogeneinschnürenden Ka- lichkeit gegenüber Brerinerabstandsänderungen mininal, der über seine volle Länge einen im wesentlichen 65 mieren; es wird eine besonders hohe Schneidgeschwinkonstanten Durchmesser hat, eine die beiden lichtbo- digkeit möglich; der Bereich der Schneidgeschwindiggeneinschnürenden Kanäle trennende Wasserkammer, keit für ein schlackefreies Schneiden wird verbreitert, eine Einrichtung, mittels deren ein Gasstrom in den Beim Arbeiten mit übertragenem Lichtbogen bewirkt