AT515532A4 - Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners und Plasmabrenner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners (1) zum Bearbeiten elektrisch leitfähiger Werkstücke (2), wobei ein primäres Gas (G1) über eine Strahlquelle (3) gebündelt dem Werkstück (2) zugeführt wird, und in den Gasstrahl (GS1) von außen ein zwischen zumindest einer außerhalb der Strahlquelle (3) befindlichen Elektrode (4) und dem Werkstück (2) gezündeter Lichtbogen (L) eingebracht und der Gasstrahl (GS) ionisiert und dadurch ein Plasmastrahl (P) gebildet wird und einen Plasmabrenner (1). Zur Verbesserung der Bearbeitungsmöglichkeiten und Standzeiten des Plasmabrenners (1) ist vorgesehen, dass zur Bildung eines kombinierten Gasstrahls (kGS) zumindest ein vom primären Gas (G1) verschiedenes sekundäres Gas (G2) über zumindest eine Düse (6) dem durch das primäre Gas (G1) gebildeten Gasstrahl (GS1) von außen zugeführt wird, sodass das zumindest eine sekundäre Gas (G2) vom primären Gas (Gl) mittransportiert wird, und dass der Lichtbogen (L) in eine äußere schlauchförmige Mantelschicht (sMS) des kombinierten Gasstrahls (kGS) eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Plasma¬brenners zum Bearbeiten elektrisch leitfähiger Werkstücke, wobeiein primäres Gas über eine Strahlquelle gebündelt dem Werkstückzugeführt wird, und in den Gasstrahl von außen ein zwischen zu¬mindest einer außerhalb der Strahlquelle befindlichen Elektrodeund dem Werkstück gezündeter Lichtbogen eingebracht und derGasstrahl ionisiert und dadurch ein Plasmastrahl gebildet wird.

Weiters betrifft die Erfindung einen Plasmabrenner zum Bearbei¬ten elektrisch leitfähiger Werkstücke, mit einer Strahlquellezum gebündelten Zuführen eines primären Gases und zumindest ei¬ner außerhalb der Strahlquelle angeordneten Elektrode zum Zündenund Betreiben eines von außen in den Gasstrahl einbringbarenLichtbogens zwischen der zumindest einen Elektrode und dem Werk¬stück zur Ionisierung des Gasstrahls und Bildung eines Plasma¬strahles .

Zum Bearbeiten von elektrisch leitfähigen Werkstücken, insbeson¬dere Metallen, werden Plasmabrenner verwendet, welche einenhochenergetischen Plasmastrahl erzeugen, mit dem das Materialdes Werkstücks geschmolzen werden kann. Häufig werden Plasma¬brenner zum Schneiden von Werkstücken, beispielsweise von glü¬henden Stahlbrammen, verwendet. Grundsätzlich fallen unter denBegriff der Bearbeitung der Werkstücke, Verfahren wie Schneidenoder Fräsen aber auch andere Oberflächenbearbeitungsverfahren,wie z.B. Sputtern oder dergleichen.

Zur Verbesserung der Bearbeitungsqualität und Erhöhung derStandzeit des Plasmabrenners wurde gemäß der WO 2009/046473 Alvorgeschlagen, den Lichtbogen außerhalb der Strahlquelle in denGasstrahl einzubringen. Dadurch kann die thermische Beanspru¬chung der Strahlquelle vermindert und die Qualität des Bearbei¬tungsvorgangs, beispielsweise des Schneidvorgangs, verbessertwerden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesse¬rung eines oben genannten Verfahrens zum Betreiben eines Plasma¬brenners und eines Plasmabrenners hinsichtlich derBearbeitungsmöglichkeiten von Werkstücken.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe in verfahrensmäßigerHinsicht dadurch, dass zur Bildung eines kombinierten Gasstrahlszumindest ein vom primären Gas verschiedenes sekundäres Gas überzumindest eine Düse dem durch das primäre Gas gebildeten Gass¬trahl von außen zugeführt wird, sodass das zumindest eine sekun¬däre Gas vom primären Gas mittransportiert wird, und dass derLichtbogen in eine äußere, schlauchförmige Mantelschicht deskombinierten Gasstrahls eingebracht wird. Wesentlich ist die Zu¬führung zumindest eines sekundären Gases in die den primärenGasstrahl umgebende Grenzschicht. Das zumindest eine sekundäreGas ermöglicht oder erleichtert durch seine bessere Ionisierbar-keit und elektrische Leitfähigkeit die Bildung und den Betriebdes Lichtbogens. Beim Betrieb von Plasmabrennern wird sonst ent¬sprechend dem von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen inne¬ren Druckverlaufes der innere Bereich, also der Kernbereich derStrömung, als Entladungsstrecke für Lichtbögen genutzt. Die ge¬genständliche Erfindung unterscheidet sich davon wesentlich da¬durch, dass hier der in der äußeren Mantelschicht zwischen demkombinierten Gasstrahl und der umgebenden Luft entstehende Un¬terdrück genutzt wird. Dieser Unterdrück entsteht durch lokaleVerwirbelungen zwischen dem kombinierten Gasstrahl und der Umge¬bungsluft und ist vergleichbar mit der Prandtl-Schicht, welchesich entlang der Oberfläche umströmter Festkörper bildet. Da derDruck im Strömungsmantel größer ist als in der anliegendenGrenzschicht, springt der Lichtbogen dabei nicht in das Zentrumdes kombinierten Gasstrahls. Durch entsprechende Zuführung zu¬mindest eines vom primären Gas verschiedenen sekundären Gases,welches sich leichter ionisieren lässt als der aus der Strahl¬quelle kommende primäre Gasstrahl, wird dieses durch den Unter¬drück in der äußeren Grenzschicht des primären Gasstrahlsangesogen, durchmischt sich aber nicht spontan mit dem primärenGas, sondern wird mit dem äußeren Strömungsmantel entlang dergenannten Grenzschicht des primären Gasstrahls mittransportiert.Der sekundäre Gasstrahl wird also von der äußeren Grenzschichtdes primären Gasstrahls absorbiert. Da dieses sekundäre Gasleichter ionisierbar ist, wird der mantel- bzw. schlauchförmigeEntladungskanal um den primären Gasstrahl herum stabilisiert. Dader radiale Querschnitt des schlauchförmigen Entladungskanalsgrößer ist, als der Querschnitt einer konventionellen Entladungim Kern der Strömuna. ist der elektrische Widerstand innerhalb der Entladung geringer.

Vorteilhafterweise wird das zumindest eine sekundäre Gas mit ei¬ner geringeren Strömungsgeschwindigkeit als das von der Strahl¬quelle emittierte primäre Gas dem Werkstück zugeführt. DieBildung des kombinierten Gasstrahls, in welchem das aus derStrahlquelle strömende primäre Gas entlang seiner äußeren Grenz¬schicht von dem zumindest einen aus der zumindest einen Düseströmenden sekundären Gas schlauchförmig umgeben ist, wird da¬durch verbessert, dass die Strömungsgeschwindigkeit beider Gas¬strahlen entsprechend zueinander abgestimmt sind, wobei es vor¬teilhaft ist, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des sekundärenGasstrahls niedriger ist, als jene des primären Gasstrahls.

Weiters wird das zumindest eine sekundäre Gas vorzugsweise miteiner geringeren Menge als das von der Strahlquelle emittierteprimäre Gas dem Werkstück zugeführt. Auch dadurch wird die ge¬wünschte Bildung des kombinierten Gasstrahls unterstützt. Jeden¬falls sollte das zumindest eine sekundäre Gas eine bessereelektrische Leitfähigkeit und leichtere Ionisierbarkeit gegen¬über dem primären Gas aufweisen. Dadurch wird der Lichtbogen inder vom sekundären Gas gebildeten schlauchförmigen äußeren Man¬telschicht des derart kombinierten Gasstrahls kanalisiert.

Das zumindest eine sekundäre Gas kann über eine um die Elektrodezur Bildung des Lichtbogens angeordnete Düse zugeführt werden.Dadurch, dass die Elektrode nur mit der äußeren Grenzschicht desGasstrahls in Berührung kommt und vom sekundären Gas umströmtwerden kann, findet keine sonst damit verbundene Korrosionstatt, was auch zu einer Verbesserung der Standzeiten führt.Durch das Plasma selbst und den im schlauchförmigen Entladungs¬kanal geheizten und ionisierten kombinierten Gasstrahl ist eineVerbesserung der Bearbeitungsgeschwindigkeiten gegenüber bekann¬ten Verfahren möglich.

Die zumindest eine Düse kann gekühlt werden, beispielsweise miteinem Kühlfluid.

Als primäres Gas kann vorzugsweise Sauerstoff verwendet werden.Dadurch können Temperaturen erzielt werden, bei welchen eine chemische Reaktion mit dem Material des Werkstückes stattfindet,sodass entsprechend der Bewegung der so zu einem Plasmabrennerkombinierten Strahlquellen über dem Werkstück eine Schnittfugeentsteht und das Verfahren zum Brennschneiden genutzt werdenkann.

Als zumindest ein sekundäres Gas kann ein Inertgas, insbesondereArgon, verwendet werden.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen obengenannten Plasmabrenner zum Bearbeiten elektrisch leitfähigerWerkstücke, bei dem zumindest eine Düse außerhalb der Strahl¬quelle angeordnet ist, über welche zumindest eine Düse zur Bil¬dung eines kombinierten Gasstrahls zumindest ein vom primärenGas verschiedenes sekundäres Gas dem durch das primäre Gas ge¬bildeten Gasstrahl von außen zuführbar ist, sodass der Lichtbo¬gen in eine äußere schlauchförmige Mantelschicht deskombinierten Gasstrahls einbringbar ist. Zu den dadurch erziel¬baren Vorteilen wird auf die obige Beschreibung des Verfahrenszum Betreiben eines Plasmabrenners verwiesen. Der erfindungsge¬mäße Plasmabrenner zeichnet sich durch eine noch weiter erhöhteStandzeit aus.

Wie bereits oben erwähnt, weist das zumindest eine sekundäre Gasvorzugsweise eine geringere Strömungsgeschwindigkeit und bzw.oder eine geringere Menge als das von der Strahlquelle emittier¬te primäre Gas auf. Dabei müssen die Strömungsgeschwindigkeitendes primären und zumindest einen sekundären Gases so abgestimmtsein, dass die den primären Gasstrahl umgebende Grenzschicht imWesentlichen erhalten bleibt. Die Strömungsgeschwindigkeit desprimären Gasstrahls ist dabei höher anzusetzen als jene des zu¬mindest einen zugeführten sekundären Gases. Gleiches gilt fürdas Mengenverhältnis der Gase zueinander.

Die zumindest eine Düse kann um die zumindest eine Elektrode an¬geordnet sein.

Die zumindest eine Düse kann durch eine Unterschalldüse oderdurch eine Überschalldüse gebildet sein.

Die zumindest eine Düse kann bevorzugt aus keramischem Materialbestehen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnun¬gen näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schnittbild durch einen erfindungsgemäßausgebildeten Plasmabrenner beim Bearbeiten eines Werk¬stücks; und

Fig. 2 einen radialen Querschnitt durch einen beim gegenständli¬chen Verfahren auftretenden kombinierten Gasstrahl.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schnittbild durch einen erfin¬dungsgemäß ausgebildeten Plasmabrenner 1 beim Bearbeiten elek¬trisch leitfähiger Werkstücke 2, insbesondere von Metallen. DemPlasmabrenner 1 wird über eine Strahlquelle 3 ein primäres GasGl zugeführt, wodurch ein gebündelter primärer Gasstrahl GS1 inRichtung des Werkstücks 2 hervorgerufen wird. Außerhalb derStrahlquelle 3 ist eine Elektrode 4 angeordnet, welche mit einerStromquelle 5 verbunden wird. Der andere Pol der Stromquelle 5wird mit dem elektrisch leitfähigen Werkstück 2 verbunden. DurchAnlegen eines entsprechenden Stromes I zwischen Werkstück 2 undElektrode 4 wird ein Lichtbogen L zwischen Elektrode 4 und Werk¬stück 2 gezündet und bereitgestellt, der den Gasstrahl GS1 ioni¬siert und somit einen Plasmastrahl P erzeugt. Die hoheEnergiedichte des Plasmastrahls P kann das Material des Werk¬stücks 2 zum Schmelzen bringen, wodurch eine Bearbeitung desWerkstücks 2, beispielsweise ein Schneiden, möglich wird.

Erfindungsgemäß wird nun zumindest ein vom primären Gas Gl ver¬schiedenes sekundäres Gas G2 über zumindest eine Düse 6 demdurch das primäre Gas Gl gebildeten primären Gasstrahl GS1 zuge¬führt, sodass ein kombinierter Gasstrahl kGS gebildet wird. Bei¬spielsweise wird als primäres Gas Gl Sauerstoff verwendet undals sekundäres Gas G2 Argon. Der durch das sekundäre Gas G2 ausder externen Düse 6 gebildete sekundäre Gasstrahl GS2 hat dabeivorzugsweise eine geringere Strömungsgeschwindigkeit als derprimäre Gasstrahl GS1, sodass das über den sekundären Gasstrahl GS2 zugeführte Sekundärgas G2 von der schlauchförmigen Mantel¬schicht sMS des primären Gasstrahls GS1 mittransportiert wirdohne sich wesentlich mit dem primären Gas Gl zu vermischen. Imkombinierten Gasstrahl kGS erhält man so eine leitfähige äußereGrenzschicht, in welcher der Lichtbogen L zwischen der externenElektrode 4 und dem elektrisch leitfähigen Werkstück 2 betriebenwerden kann. Das den primären Gasstrahl GS1 schlauchförmig umge¬bende Plasma P ist für einen Teil der aus dem Plasma P emittier¬ten elektromagnetischen Strahlung intransparent, wodurch dieserTeil der Strahlung wieder in den inneren Gasstrahl reflektiertwird. Dadurch wird das Aufheizen des gesamten kombinierten Gas¬strahls kGS neben der mechanischen Wärmeleitung zusätzlich un¬terstützt, wobei auch eine Ionisierung des von der schlauchför¬migen Entladung eingeschlossenen Gasstrahls erfolgt. Das primäreGas Gl wird damit leichter auf eine für eine Reaktion auf demWerkstück 2 notwendige Temperatur geheizt.

Wesentlich bei der Nutzung des Verfahrens ist es, dass die Elek¬trode 4 nicht in das Zentrum des primären Gasstrahls GSl ragt,sich aber in der Nähe von dessen äußerer Grenzschicht befindet.Weiters ist es wesentlich, dass das zugeführte sekundäre Gas G2,welches von der Grenzschicht des primären Gasstrahls GSl aufge¬nommen wird, über eine Düse 6 in der Nähe der Elektrode 4 zuge¬führt wird, wobei die Elektrode 4 auch von der Düse 6 umgebensein kann. Der Lichtbogen L wird dabei nicht in den primärenGasstrahl GSl selbst injiziert, sondern in dessen äußere Grenz¬schicht, in welcher das sekundäre Gas G2 mittransportiert wird.

Die Strahlquelle 3, die Elektrode 4 und die zumindest eine Düse6 können mit einer Kühleinrichtung 7 versehen sein. Die Kühlein¬richtungen 7 können beispielsweise durch entsprechende Kühlkanä¬le, durch die ein Kühlmedium fließt, gebildet werden.

Schließlich kann eine Fokussiereinrichtung 8 zum Fokussieren desPlasmastrahles P vorgesehen sein. Die Fokussiereinrichtung 8kann beispielsweise durch eine zwischen der Strahlquelle 3 unddem Werkstück 2 angeordnete Spule 9 und bzw. oder einen zwischender Strahlquelle 3 und dem Werkstück 2 angeordneten Permanentma¬gneten 10 gebildet sein. Durch das von der Spule 9 bzw. dem Per¬manentmagneten 10 hervorgerufene elektromagnetische Feld wirdder Plasmastrahl P eingeschnürt.

Fig. 2 zeigt einen radialen Querschnitt durch einen durch dieKombination eines primären Gases Gl und zumindest eines sekun¬dären Gases G2 gebildeten kombinierten Gasstrahls kGS mit demschlauchförmigen Entladungskanal des Lichtbogens L. Im Zentrumdes kombinierten Gasstrahls kGS, in der Kernströmung KS, ist dieStrömungsgeschwindigkeit höher als im Rest des strömenden Gas¬körpers. Daher wird bei bekannten Verfahren die Kernströmung zumKanalisieren von Lichtbögen genutzt, da die umgebenden langsame¬ren Strömungsschichten LS einen höheren elektrischen Widerstandaufweisen. In der den kombinierten Gasstrahl kGS insgesamt unge-benden schlauchförmigen Mantelschicht sMS ist der Druck gegen¬über den langsameren Strömungsschichten LS und der Umgebungjedoch ebenfalls geringer, wie bei der von umströmten Körpernher bekannten Prandtl-Schicht. Daher wird bei der gegenständli¬chen Erfindung die Möglichkeit genutzt, durch zumindest eineentsprechend dimensionierte und positionierte Düse 6 zumindestein vom primären Gas Gl verschiedenes sekundäres Gas G2 zuzufüh¬ren, welches von der schlauchförmigen Mantelschicht sMS mit¬transportiert wird und aufgrund seiner besseren Ionisierbarkeitund elektrischen Leitfähigkeit einen schlauchförmigen LichtbogenL innerhalb der schlauchförmigen Mantelschicht sMS betreibt.

Claims (14)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners (1) zum Bearbei¬ten elektrisch leitfähiger Werkstücke (2), wobei ein primäresGas (Gl) über eine Strahlquelle (3) gebündelt dem Werkstück (2)zugeführt wird, und in den Gasstrahl (GS1) von außen ein zwi¬schen zumindest einer außerhalb der Strahlquelle (3) befindli¬chen Elektrode (4) und dem Werkstück (2) gezündeter Lichtbogen(L) eingebracht und der Gasstrahl (GS) ionisiert und dadurch einPlasmastrahl (P) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zurBildung eines kombinierten Gasstrahls (kGS) zumindest ein vomprimären Gas (Gl) verschiedenes sekundäres Gas (G2) über zumin¬dest eine Düse (6) dem durch das primäre Gas (Gl) gebildetenGasstrahl (GS1) von außen zugeführt wird, sodass das zumindesteine sekundäre Gas (G2) vom primären Gas (Gl) mittransportiertwird, und dass der Lichtbogen (L) in eine äußere schlauchförmigeMantelschicht (sMS) des kombinierten Gasstrahls (kGS) einge¬bracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass daszumindest eine sekundäre Gas (G2) mit einer geringeren Strö¬mungsgeschwindigkeit als das von der Strahlquelle (3) emittierteprimäre Gas (Gl) dem Werkstück (2) zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass das zumindest eine sekundäre Gas (G2) mit einer geringerenMenge als das von der Strahlquelle (3) emittierte primäre Gas(Gl) dem Werkstück (2) zugeführt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬zeichnet, dass das zumindest eine sekundäre Gas (G2) über eineum die Elektrode (4) angeordnete Düse (6) zugeführt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬zeichnet, dass die zumindest eine Düse (6) gekühlt wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich¬net, dass als primäres Gas (Gl) Sauerstoff verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeich- net, dass als zumindest ein sekundäres Gas (G2) ein Inertgas,insbesondere Argon, verwendet wird.
8. 8. Plasmabrenner (1) zum Bearbeiten elektrisch leitfähiger Werk¬stücke (2) , mit einer Strahlquelle (3) zum gebündelten Zuführeneines primären Gases (Gl) und zumindest einer außerhalb derStrahlquelle (3) angeordneten Elektrode (4) zum Zünden und Be¬treiben eines von außen in den Gasstrahl (GS1) einbringbarenLichtbogens (L) zwischen der zumindest einen Elektrode (4) unddem Werkstück (2) zur Ionisierung des Gasstrahls (GS1) und Bil¬dung eines Plasmastrahles (P), dadurch gekennzeichnet, dass zu¬mindest eine Düse (6) außerhalb der Strahlquelle (3) angeordnetist, über welche zumindest eine Düse (2) zur Bildung eines kom¬binierten Gasstrahls (kGS) zumindest ein vom primären Gas (Gl)verschiedenes sekundäres Gas (G2) dem durch das primäre Gas (Gl)gebildeten Gasstrahl (GS) von außen zuführbar ist, sodass derLichtbogen (L) in eine äußere schlauchförmige Mantelschicht(sMS) des kombinierten Gasstrahls (kGS) einbringbar ist.
9. 9. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass das zumindest eine sekundäre Gas (G2) eine geringere Strö¬mungsgeschwindigkeit als das von der Strahlquelle (3) emittierteprimäre Gas (Gl) aufweist.
10. 10. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn¬zeichnet, dass das zumindest eine sekundäre Gas (G2) eine gerin¬gere Menge als das von der Strahlquelle (3) emittierte primäreGas (Gl) aufweist.
11. 11. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurchgekennzeichnet, dass zumindest eine Düse (6) um der zumindesteinen Elektrode (4) angeordnet ist.
12. 12. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurchgekennzeichnet, dass zumindest eine Düse (6) durch eine Unter¬schalldüse gebildet ist.
13. 13. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurchgekennzeichnet, dass zumindest eine Düse (6) durch eine Über¬schalldüse gebildet ist.
14. 14. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurchgekennzeichnet, dass die zumindest eine Düse (6) aus keramischemMaterial besteht.