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DE69018611T2 - Vorrichtung zur Zündung eines Plasmabogens. - Google Patents

Vorrichtung zur Zündung eines Plasmabogens.

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DE69018611T2
DE69018611T2 DE69018611T DE69018611T DE69018611T2 DE 69018611 T2 DE69018611 T2 DE 69018611T2 DE 69018611 T DE69018611 T DE 69018611T DE 69018611 T DE69018611 T DE 69018611T DE 69018611 T2 DE69018611 T2 DE 69018611T2
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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines Plasmalichtbogenbrenners und insbesondere ein Verfahren zum Zünden eines Plasmalichtbogenbrenners des Typs mit einer metallischen Elektrode und einer dem Entladungsende der Elektrode benachbart angeordneten Düsenanordnung.
  • Plasmalichtbogenbrenner enthalten allgemein eine metallische Elektrode und eine dem Entladungsende der Elektrode benachbart angeordnete Düsenanordnung. Diese Brenner arbeiten typischerweise in einem Modus mit übertragenem bzw. offenem Lichtbogen, in dem der Lichtbogen von dem Entladungsende der Elektrode über die Düse zu einem Werkstück verläuft. In dem Brenner wird normalerweise ein oxidierendes Gas zur Generierung des Plasmas und zur Unterstützung eines schnelleren und effizienteren Schneidens des Werkstücks verwendet.
  • Da jedoch zum Zünden und Übertragen des Lichtbogens von der Elektrode zum Werkstück hohe Spannungen erforderlich sind, werden einige dem Stand der Technik entsprechende Brenner typischerweise mit einem nichtoxidierenden Gas gezündet, indem ein Pilotlichtbogen zwischen dem Entladungsende der der Elektrode und der Düsenanordnung erzeugt wird. Würde während des Zündprozesses ein oxidierendes Gas verwendet, so würden die verwendeten hohen Spannungen schwerwiegende Oxidationsbedingungen hervorrufen und die effektive Lebensdauer der Elektrode verringern. Dieser generierte Lichtbogen wird dann zum Werkstück übertragen. Während der Übertragung des Lichtbogens wird der Strom des nichtoxidierendes Gases reduziert und ein oxidierendes Gas, z.B. Sauerstoff, wird dem nichtoxidierenden Gasstrom hinzugefügt. Eine solche Technik ist auch bei Plasmalichtbogenbrennern bekannt, die vom Typ mit nicht übertragenem Lichtbogen sind, siehe JP-A-6 192 782.
  • Im allgemeinen erfordert das vorgenannte dem Stand der Technik entsprechende Verfahren eine sorgfältige zeitliche Regelung des Gasstroms, und bei manchen Brennern wird eine spezielle Brennerstruktur erforderlich. So strömt beispielsweise bei einer Brennerausführung Argon während der erstmaligen Lichtbogenzündung durch mehrere ringförmige Gasöffnungen, die zwischen zwei Düsenelementen angeordnet sind. Wenn der Lichtbogen übertragen worden ist, wird ein gewisser Argonstrom aus den Gasöffnungen beendet und durch einen Strom oxidierenden Gases ersetzt, so daß während des Brennerbetriebs mit übertragenem Lichtbogen ein reduzierter Argonstrom mit einem oxidierenden Gas gemischt wird. Diese Verwendung einer Kombination aus Argon und Sauerstoff oder Luft innerhalb des Brenners erfordert die gleichzeitige, komplexe Regelung zweier verschiedener Gasströme, um das richtige Gemisch und den einwandfreien Betrieb des Brenners aufrechtzuerhalten. Außerdem resultiert ein nichtoxidierendes Gas wie Argon in der verstärkten Bildung von Schlacke, wenn das nichtoxidierende Gas während einer Schneidoperation in einem Plasmalichtbogenbrenner mit übertragenem Lichtbogen mit Sauerstoff oder Luft gemischt wird.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Zünden eines Plasmalichtbogenbrenners des beschriebenen Typs bereitzustellen, das die Cxidation einer Elektrode dadurch minimiert, daß es einen Strom nichtoxidierenden Gases während der Erzeugung eines Pilotbogens und einen neuen Ersatzstrom eines oxidierenden Gases nur während des Brennerbetriebs mit übertragenem Lichtbogen liefert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Zünden eines Plasmalichtbogenbrenners des Typs mit einer metallischen Elektrode und einer neben dem Entladungsende der Elektrode angeordneten Düsenanordnung bereitgestellt, bei dem die Oxidation der Elektrode minimiert und dadurch die Lebensdauer der Elektrode verlängert werden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Erzeugen eines Stroms eines nichtoxidierenden Gases zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung, Erzeugen eines Pilotlichtbogens zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung, und Übertragen des Pilotbogens in der Weise, daß ein übertragener Lichtbogen entsteht, der sich von dem Entladungsende der Elektrode zu einem Werkstück erstreckt, das auf der Seite der Düsenanordnung gegenüber der Elektrode angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Schritte der im wesentlichen gleichzeitigen Beendigung des nichtoxidierenden Gasstroms und der Erzeugung eines oxidierenden Gasstroms zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung, so daß der übertragene Lichtbogen und das oxidierende Gas einen Plasmagasstrom zwischen dem Entladungsende der Elektrode und dem Werkstück erzeugen.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das nichtoxidierende Gas aus Stickstoff und das oxidierende Gas aus Sauerstoff.
  • Nach Beendigung des Schneidens kann der übertragene Lichtbogen gleichzeitig mit dem Strom des oxidierenden Gases beendet werden. Außerdem wird ein Strom nichtoxidierenden Gases zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung erzeugt.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und zur Darstellung, wie dieselbe verwirklicht werden kann, wird nunmehr anhand eines Beispiels auf die Zeichnungen verwiesen, in denen zeigen:
  • Fig. 1 einen Aufriß einer geschnittenen Seitenansicht eines Plasmalichtbogenbrenners, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
  • Fig. 2 zwei Graphen, die die Abhängigkeit sowohl von Gasstrom und Zeit als auch von Lichtbogenstrom und Zeit während des Betriebs eines Plasmalichtbogenbrenners entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen; und
  • Fig. 3 ein stark schematisiertes Diagramm der Grundkomponenten und ihrer gegenseitigen elektrischen Beziehungen zum Betrieb eines Plasmalichtbogenbrenners entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Nunmehr sei auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Fig. 1 verwiesen, in der ein Typ eines Plasmalichtbogenbrenners dargestellt ist, der mit dem Zündverfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Ein Plasmalichtbogenbrenner 10 enthält eine Düsenanordnung 12 und eine rohrförmige Elektrode 14. Die Elektrode 14 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und ist aus einem oberen, rohrförmigen Element 15 und einem unteren, becherförmigen Element oder Halter 16 zusammengesetzt. Insbesondere weist das obere, rohrförmige Element 15 eine längliche, offene, rohrförmige Konstruktion auf und definiert die Längsachse des Brenners. Das Element 15 enthält außerdem einen unteren Endabschnitt 17 mit Innengewinde. Der Halter 16 ist ebenfalls eine rohrförmige Konstruktion und enthält ein unteres vorderes Ende sowie ein oberes hinteres Ende. Eine quer verlaufende Stirnwand 18 schließt das vordere Ende des Halters 16 ab und definiert eine äußere vordere Stirnfläche 20. Das hintere Ende des Halters ist mit einem Außengewinde versehen und mit dem unteren Endabschnitt 17 des oberen rohrförmigen Elements verschraubt.
  • In der vorderen Stirnfläche 20 der Stirnwand 18 ist ein Hohlraum 24 eingeformt, der sich entlang der Längsachse nach hinten erstreckt. Eine Einsatzanordnung 26 ist in dem Hohlraum angebracht und umfaßt einen im allgemeinen zylindrischen Emissionseinsatz 28, der koaxial entlang der Längsachse angeordnet ist. Der Emissionseinsatz 28 besteht aus einem metallischen Material, das eine relativ niedrige Arbeitsfunktion hat, so daß er bei Anlegen eines elektrischen Potentials in der Lage ist, problemlos Elektronen zu emittieren. Beispiele für solche geeigneten Materialien sind Hafnium, Zirkonium, Wolfram und deren Legierungen.
  • Eine relativ nichtemittierende Hülse 32 ist in dem Hohlraum 24 koaxial um den Emissionseinsatz 28 angeordnet, so daß die Hülse 32 eine Umfangswandung und eine geschlossene Bodenwand 34 hat, die metallurgisch mit den Wandungen des Hohlraums verbunden sind. Des weiteren enthält die Hülse 32 einen Ringflansch 35, um eine ringförmige Außenfläche zu bilden, die in der Ebene der vorderen Stirnfläche 20 des Halters liegt. Eine nähere Beschreibung der Hülse 32 findet sich in der Europäischen Parallelanmeldung Nr. 90308761.7, die am 9. August 1990 eingereicht wurde (EP-A-0437915) In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 14 in einem Plasmalichtbogenbrennerkörper 38 eingebaut, der mit Gas- und Flüssigkeitskanälen 40 bzw. 42 ausgeführt ist. Der Brennerkörper 38 ist von einem äußeren, isolierenden Gehäuseelement 44 umgeben.
  • Ein Rohr 46 ist innerhalb einer zentralen Bohrung 48 der Elektrode 14 aufgehängt, um ein flüssiges Medium, z.B. Wasser, durch die Elektrodenstruktur 14 zu zirkulieren. Das Rohr 46 hat einen kleineren Durchmesser als die Bohrung 48, um einen Raum 49 für das Wasser bereitzustellen, in den es nach dem Austritt aus dem Rohr 46 fließen kann. Das Wasser fließt aus einer Quelle (nicht dargestellt) durch das Rohr 46 und über den Raum 49 zurück zu einer Öffnung 52 im Brennerkörper 38 und in einen Ablaßschlauch (nicht dargestellt)
  • Der Kanal 42 leitet das Einspritzwasser in die Düsenanordnung 12, wo es zu einem Wirbel verwirbelt wird, um den Plasmalichtbogen zu umgeben. Der Gaskanal 40 wird mit Gas aus einer geeigneten Quelle (nicht dargestellt) gespeist, die entsprechend der vorliegenden Erfindung eines Quelle eines nichtoxidierenden Gases, vorzugsweise Stickstoff, und eines oxidierenden Gases, vorzugsweise Sauerstoff, enthält. Luft kann ebenfalls verwendet werden. Einrichtungen (nicht dargestellt) regeln die entsprechenden Ströme des nichtoxidierenden und das oxidierenden Gases in den Kanal, der das Gas über einen herkömmlichen Gasprallkörper 54 aus einem geeigneten hochtemperaturfesten Keramikmaterial auf eine hinreichend bekannte Weise verwirbelt in eine Gasvorkammer 56 lenkt. Das Gas strömt aus der Vorkammer 56 durch den Lichtbogen einschnürende koaxiale Bohrungen 60 und 62 der Düsenanordnung 12. Die Elektrode 14 hält den Keramikprallkörper 54 und ein hochtemperaturfestes Isolierelement 55 aus Kunststoff in ihrer Lage. Das Element 55 dient zur elektrischen Isolierung der Düsenanordnung 12 gegenüber der Elektrode 14.
  • Die Düsenanordnung 12 umfaßt ein oberes Düsenelement 63 und ein unteres Düsenelement 64, wobei die Elemente 63 und 64 die erste und zweite Bohrung 60 bzw. 62 enthalten. Obwohl sowohl das obere als auch das untere Düsenelement aus Metall sein kann, wird für das untere Düsenelement ein Keramikmaterial, z.B. Alumiumoxid, bevorzugt. Das untere Düsenelement 64 ist gegenüber dem oberen Düsenelement 63 durch ein Kunststoff-Abstandselement 65 und einen Wasserwirbelring 66 getrennt. Der zwischen dem oberen Düsenelement 63 und dem unteren Düsenelement 64 entstandene Raum bildet eine Wasserkammer 67. Die Bohrung 60 des oberen Düsenelements 63 ist auf die Längsachse der Brennerelektrode 14 axial ausgerichtet. Außerdem ist die Bohrung 60 zylindrisch mit einer angefasten Oberkante neben der Vorkammer 56 ausgeführt, wobei der Fasenwinkel etwa 45º beträgt.
  • Das untere Düsenelement 64 umfaßt einen zylindrischen Körperabschnitt 70, der einen vorderen (oder unteren) Endabschnitt definiert, sowie einen hinteren (oder oberen) Endabschnitt, wobei die Bohrung 62 koaxial durch den Körperabschnitt verläuft. Ein ringförmiger Anbauflansch 71 ist am hinteren Endabschnitt angeordnet, und eine Kegelstumpfmantel 72 ist an der Außenseite des vorderen Endabschnittes so ausgebildet daß er koaxial zu der zweiten Bohrung 62 liegt. Der ringförmige Flansch 71 ist von unten durch einen nach innen gerichteten Flansch 73 am unteren Ende einer Glocke 74 abgestützt, wobei die Glocke 74 mit dem äußeren Gehäuseelement 44 abnehmbar über miteinander in Eingriff stehenden Gewinden verschraubt ist. Zwischen den beiden Flanschen 71 und 73 ist außerdem eine Flanschdichtung 75 angeordnet.
  • Die den Lichtbogen einschnürende Bohrung 62 in dem unteren Düsenelement 64 ist zylindrisch und wird mittels einer Zentrierbuchse 78 aus einem geeigneten Kunststoffmaterial in axialer Ausrichtung auf die den Lichtbogen einschnürende Bohrung 62 im oberen Düsenelement 63 gehalten. Die Zentrierbuchse 78 hat an ihrem oberen Ende eine Lippe, die in eine Ringkerbe im oberen Düsenelement 63 lösbar einrastet. Die Zentrierbuchse 78 erstreckt sich in vorgespanntem Zustand von der oberen Düse gegen das untere Element 64. Der Wirbelring 66 und das Abstandselement 65 werden vor dem Einsetzen des unteren Elements 64 in die Buchse 78 eingebaut. Das Wasser strömt aus dem Kanal 42 durch Öffnungen in der Buchse 78 zu Einspritzöffnungen 87 des Wirbelrings 66, von wo das Wasser in die Wasserkammer 67 eingespritzt wird. Die Einspritzöffnungen 87 sind tangential um den Wirbelring 66 angeordnet, um das Wasser zur Bildung eines Wirbelmusters in der Wasserkammer 67 zu veranlassen. Das Wasser tritt durch die den Lichtbogen einschnürende Bohrung 62 im unteren Düsenelement 64 aus der Wasserkammer aus.
  • Wie in der Fig. 3 schematisch dargestellt, ist eine Spannungsversorgung 90 für den Pilotlichtbogen mit der Elektrode 14 und dem Brennerkörper in Reihe geschaltet. Eine Schaltereinrichtung (nicht dargestellt), die in Form eines Kippschalters ausgeführt sein ist, ist an dem Brenner in einer für den Bedienungsmann günstigen Position angeordnet und kann den Zünd- Pilotlichtbogen steuern. Eine Hauptspannungsversorgung 91 ist mit der Brennerelektrode 14 und einem Metallwerkstück, das typischerweise geerdet ist, in Reihe geschaltet.
    • Funktionsweise
  • Um den Plasmalichtbogenbrenner gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu zünden, wird ein Strom oxidierenden Gases, vorzugsweise Stickstoff, erzeugt und fließt in den Gaskanal 40, wobei dieser Strom durch den herkömmlichen Gasprallkörper 54 geleitet wird. Das Gas tritt in verwirbelter Weise in die Vorkammer 56 ein und strömt aus dieser durch die den Lichtbogen einschnürenden koaxialen Bohrungen 60, 62 der Düsenanordnung 12 nach außen. Ein Pilotlichtbogen wird dann kurzzeitig zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung 12 erzeugt (siehe Fig. 2) Der Pilotlichtbogen wird über die den Lichtbogen einschnürenden Bohrungen 60 bzw. 62 zu dem Werkstück übertragen. Während der Übertragung des Pilotlichtbogens wird im wesentlichen gleichzeitig der Strom des nichtoxidierenden Gases unterbrochen. Ein neuer Strom oxidierenden Gases wird in den Kanal 40 und durch den Gasprallkörper in die Gasvorkammer 56 und durch die den Lichtbogen einschnürenden koaxialen Bohrungen 60, 62 der Düsenanordnung 12 geleitet. Der übertragene Lichtbogen und das oxidierende Gas erzeugen einen Plasmagasstrom zwischen der Elektrode, durch die Düsenanordnung 12 und zu dem Werkstück W. Jede der den Lichtbogen einschnürenden Bohrung 60 und 62 trägt zur Verstärkung und Bündelung des Lichtbogens bei. Das in den Kanal 42 eingespeiste Wasser leitet die Wassereinspritzung in die Düsenanordnung 12, wo es zu einem den Plasmalichtbogen umgebenden Wirbel verwirbelt wird.
  • Zur Beendigung des Brennerbetriebs wird der übertragene Lichtbogen ausgeschaltet, während im wesentlichen gleichzeitig der Strom des oxidierenden Gases unterbrochen wird. Gleichzeitig wird ein Strom nichtoxidierenden Gases zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung erzeugt, indem das nichtoxidierende Gas, vorzugsweise Stickstoff, in den Kanal 40 und schließlich durch die koaxialen Bohrungen 60 und 62 der Düsenanordnung 12 geleitet wird.
  • Der Zündprozeß der vorliegenden Erfindung bietet mehrere Vorteile. Das Zünden des Brenners unter einem nichtoxidierenden Gas beseitigt das Problem der Entzündung des Sauerstoffs im Brenner, beispielsweise aufgrund von Lichtbogenbildung zwischen Brennerteilen. Falls es zu einer Entzündung kommt, kann der Nachstrom des nichtoxidierenden Gases zum Ersticken des Feuers dienen. Bei vielen Brennerausführungen, die mit einer Kupferdüse versehen sind, werden außerdem Oxidation und Erosion der Kupferdüse in hohem Maße verringert. Das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung gestattet eine höhere Anzahl von Zündvorgängen, da die Lebensdauer der Elektrode und der Düse verlängert sind.
  • In den Zeichnungen sowie in der Beschreibung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und erläutert worden, und die verwendeten Fachausdrücke sind nur in einem generellen und beschreibenden, nicht jedoch in einem begrenzenden, Sinne zu verstehen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Zünden eines Plasma-(Lichtbogen-)Brenners, der eine metallische Elektrode (14) und eine dem Entladungsende der Elektrode benachbart angeordnete Düsenanordnung (12) enthält, in der das Verfahren die Oxydation der Elektrode (14) minimiert und dadurch die Lebensdauer der Elektrode verlängert, mit folgenden Verfahrensschritten: Erzeugen eines Flusses eines nicht-oxydierenden Gases zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung, Bilden eines Pilotbogens zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung (12), und Übertragen des Pilotbogens derart, daß ein übertragener Bogen entsteht, der sich vom Entladungsende der Elektrode zu einem Werkstück erstreckt, das auf der Seite der Düsenanordnung gegenüber der Elektrode (14) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß des nicht-oxydierenden Gases im wesentlichen gleichzeitig beendet wird mit dem Erzeugen eines Flusses eines 0xydationsgases zwischen dem Entladungsende der Elektrode (14) und der Düsenanordnung (12), so daß der übertragene Bogen und das Oxydationsgas einen Plasmagasfluß zwischen dem Entladungsende der Elektrode und dem Werkstück erzeugen.
2. Zündverfahren nach Anspruch 1, mit den sich anschließenden Schritten des Beendigens des übertragenen Bogens, des im wesentlichen gleichzeitigen Beendigens des Oxydationsgasflusses, und des im wesentlichen gleichzeitigen Erzeugens eines Flusses des nicht-oxydierenden Gases zwischen dem Entladungsende der Elektrode und der Düsenanordnung.
3. Zündverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das nicht-oxydierende Gas aus Stickstoff besteht und das Oxydationsgas aus Sauerstoff.
4. Zündverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Düsenanordnung (12) ein oberes Düsenelement (63) enthält, das benachbart zu dem Entladungsende der Elektrode (14) angeordnet ist, und ein unteres Düsenelement (64), das benachbart zu dem oberen Düsenelement (63) auf dessen der Elektrode (14) gegenüberliegender Seite angeordnet ist, und bei dem das obere und das untere Düsenelement miteinander fluchtende Bohrungen (60, 62) zum Durchfluß des Plasmagases aufweisen, wobei das Verfahren ein Einbringen eines Flüssigkeitsstroms zwischen das obere und das untere Düsenelement (63, 64) enthält, im wesentlichen gleichzeitig mit dem Übertragen des Pilotbogens, so daß der Plasmagasfluß von der Flüssigkeit umhüllt wird.
5. Zündverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Flüssigkeit Wasser ist.
6. Zündverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Elektrode einen im wesentlichen zylindrischen Emissionseinsatz (28) enthält, der an dem Entladungsende der Elektrode (14) angeordnet ist.
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