DE102004049445C5

DE102004049445C5 - plasma torch

Info

Publication number: DE102004049445C5
Application number: DE102004049445.2A
Authority: DE
Inventors: Volker Krink; Thomas Steudtner; Frank Laurisch; Ralf-Peter Reinke
Original assignee: Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
Current assignee: Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2024-10-09
Also published as: DE102004064160B4; DE102004049445B4; WO2006039890A3; EP1797747A2; PL1797747T3; ES2641235T3; WO2006039890A2; EP1797747B1; DE102004064160C5; DE202004021663U1; DE102004049445A1

Abstract

Plasmabrenner (1) mit • einem Brennerkörper (2) • einer im Brennerkörper (2) angeordneten Elektrode (3) • einer Düse (4), die eine zentrale Düsenöffnung (4a) aufweist und so angeordnet ist, dass sie die Elektrode (3) durch einen Plasmagaskanal (6a) getrennt abdeckt, der zwischen diesen gebildet ist, • einer Düsenschutzkappe (7), die eine an ihrer vorderen Endseite angeordnete, der Düsenöffnung (4a) gegenüberliegende Austrittsöffnung (7a) und einen ringförmigen Sekundärgaskanal (9) innerhalb der Düsenschutzkappe (7) aufweist, der mit der Austrittsöffnung (7a) in Verbindung steht, wobei die Düsenschutzkappe (7) bezüglich der Elektrode (3) und der Düse (4) elektrisch isoliert angeordnet ist, • einem zwischen einem Sekundärgaseinlass (8b) und dem vorderen Ende des Sekundärgaskanals (9) angeordneten Sekundärgasführungsteil (8), das ein Ring ist, in dem über seinen Kreisumfang mindestens zwei Durchlässe (8a) äquidistant angeordnet sind, wobei sich die Durchlässe (8a) radial erstrecken oder einen Versatz zur Radiale aufweisen, wobei – der Sekundärgaskanal (9) zwischen dem Sekundärgasführungsteil (8) und seinem vorderen Ende derart ausgebildet ist, dass – unmittelbar nach dem Passieren des Sekundärgasführungsteils (8) ein zur Längsachse L des Plasmabrenners (1) unter einem Winkel im Bereich von 0° ± 15° zur Längsachse L des Plasmabrenners (1) geneigtes Sekundärgaskanalteil (9a) vorgesehen ist, – sich dem im Wesentlichen parallelen Sekundärgaskanalteil (9a) ein schräg zur Längsachse L des Plasmabrenners (1) in Richtung zum vorderen Ende des Plasmabrenners (1) führendes Sekundärgaskanalteil anschließt, und – am vorderen Ende des Sekundärgaskanalteils sich ein unter einem rechten Winkel zur Längsachse L des Plasmabrenners angeordnetes Sekundärgaskanalteil anschließt, so dass das Sekundärgas dem Plasmastrahl senkrecht zugeführt wird.Plasma torch (1) having • a torch body (2) • an electrode (3) arranged in the torch body (2) • a nozzle (4) which has a central nozzle opening (4a) and is arranged so as to hold the electrode (3) separated by a plasma gas channel (6a) formed therebetween; a nozzle protection cap (7) having an outlet opening (7a) located at the front end side thereof opposite the nozzle opening (4a) and an annular secondary gas passage (9) inside the nozzle protection cap (7) communicating with the outlet opening (7a), the nozzle protection cap (7) being electrically insulated with respect to the electrode (3) and the nozzle (4), one between a secondary gas inlet (8b) and the front one Secondary gas guide part (8) arranged at the end of the secondary gas channel (9), which is a ring in which at least two passages (8a) are arranged equidistantly over its circumference, wherein the Durchl (8a) extend radially or have an offset to the radial, wherein - the secondary gas channel (9) between the secondary gas guide part (8) and its front end is formed such that - immediately after passing through the secondary gas guide part (8) to the longitudinal axis L of Plasma torch (1) at an angle in the range of 0 ° ± 15 ° to the longitudinal axis L of the plasma torch (1) inclined secondary gas passage part (9a) is provided, - the substantially parallel Sekundärgaskanalteil (9a) obliquely to the longitudinal axis L of the plasma torch (1 ) in the direction of the front end of the plasma torch (1) leading secondary gas channel part connects, and - at the front end of the Sekundärgaskanalteils a arranged at a right angle to the longitudinal axis L of the plasma torch secondary gas channel followed, so that the secondary gas is supplied perpendicular to the plasma jet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plasmabrenner, der sowohl zum Trockenschneiden als auch Unterwasserschneiden verschiedener metallischer Werkstücke dient.The present invention relates to a plasma torch which serves both for dry cutting and underwater cutting of various metallic workpieces.

Beim Plasmaschneiden wird zunächst ein Lichtbogen (Pilotlichtbogen) zwischen einer Kathode (Elektrode) und Anode (Düse) gezündet und danach direkt auf ein Werkstück übertragen, um damit einen Schnitt herzustellen.In plasma cutting, an arc (pilot arc) is first ignited between a cathode (electrode) and anode (nozzle) and then transferred directly to a workpiece to produce a cut.

Dieser Lichtbogen erzeugt ein Plasma, das ein thermisch hochaufgeheiztes, elektrisch leitfähiges Gas ist, welches aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht.This arc creates a plasma, which is a thermally highly heated, electrically conductive gas consisting of positive and negative ions, electrons, and excited and neutral atoms and molecules.

Als Plasmagas werden Gase wie Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Diese Gase werden durch die Energie des Lichtbogens ionisiert und dissoziiert. Der daraus entstehende Plasmastrahl wird zum Schneiden des Werkstücks eingesetzt.As plasma gas, gases such as argon, hydrogen, nitrogen, oxygen or air are used. These gases are ionized and dissociated by the energy of the arc. The resulting plasma jet is used to cut the workpiece.

Ein moderner Plasmabrenner entsteht aus Grundbauteilen wie Brennerkörper, Elektrode (Kathode), Düse, einer oder mehrerer Schutzkappen, welche die Düse umgeben, sowie Verbindungen, die zur Versorgung des Brenners mit Strom, Gasen und/oder Flüssigkeiten dienen.A modern plasma torch is made up of basic components such as torch body, electrode (cathode), nozzle, one or more protective caps surrounding the nozzle, as well as connections that serve to supply the burner with electricity, gases and / or liquids.

Die Düse kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen. Bei direkt wassergekühlten Brennern wird die Düse von einer Düsenkappe gehalten. Zwischen der Düse und Düsenkappe strömt Kühlwasser. Das Sekundärgas strömt zwischen der Düse und Schutzkappe.The nozzle may consist of one or more parts. For direct water-cooled burners, the nozzle is held by a nozzle cap. Cooling water flows between the nozzle and the nozzle cap. The secondary gas flows between the nozzle and protective cap.

Bei gasgekühlten Brennern und indirekt wassergekühlten Brennern kann die Düsenkappe entfallen. Dann strömt das Sekundärgas zwischen der Düse und Schutzkappe.For gas-cooled burners and indirect water-cooled burners, the nozzle cap can be omitted. Then the secondary gas flows between the nozzle and protective cap.

Die Elektrode und die Düse sind zueinander in einem bestimmten räumlichen Verhältnis angeordnet und begrenzen einen Raum – die Plasmakammer, in der dieser Plasmastrahl erzeugt wird. Der Plasmastrahl kann in seinen Parametern wie z. B. Durchmesser, Temperatur, Energiedichte und Durchflussrate des Plasmagases durch die Gestaltung der Düse und Elektrode stark beeinflusst werden.The electrode and the nozzle are arranged in a certain spatial relationship to one another and delimit a space - the plasma chamber in which this plasma jet is generated. The plasma jet can be used in its parameters such. As diameter, temperature, energy density and flow rate of the plasma gas are strongly influenced by the design of the nozzle and electrode.

Für die unterschiedlichen Plasmagase werden die Elektroden und Düsen aus unterschiedlichen Materialen und in verschiedenen Formen hergestellt.For the different plasma gases, the electrodes and nozzles are made of different materials and in different shapes.

Düsen werden in der Regel aus Kupfer hergestellt und direkt oder indirekt wassergekühlt. Je nach Schneidaufgabe und elektrischer Leistung des Plasmabrenners werden Düsen eingesetzt, die unterschiedliche Innenkonturen und Öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen und damit die optimalen Schneidergebnisse liefern.Nozzles are usually made of copper and water cooled directly or indirectly. Depending on the cutting task and electrical power of the plasma torch, nozzles are used which have different inner contours and openings with different diameters and thus provide the optimum cutting results.

Um eine Düse während des Schneidprozesses vor der Wärme und herausspritzendem geschmolzenem Metall des Werkstücks zu schützen, werden Düsen durch Schutzkappen umschlossen. Durch den Zwischenraum zwischen Düse und Schutzkappe strömt ein Sekundärgas. Dieses dient zur Schaffung einer definierten Atmosphäre, zur Einschnürung des Plasmastrahls und den Schutz vor Spritzen beim Einstechen.To protect a nozzle from the heat and spewing molten metal of the workpiece during the cutting process, nozzles are enclosed by protective caps. Through the space between the nozzle and cap flows a secondary gas. This serves to create a defined atmosphere, to constrict the plasma jet and to protect against splashing during piercing.

In der Patentanmeldung DE 38 32 630 A1 wird der Plasmastrahl beim Unterwasserschneiden durch einen Gaswirbel geschützt, der mit hoher Geschwindigkeit um den Plasmastrahl rotiert. Auf der Düsenkappe werden fünf bis zwanzig Gasleitführungen in Form eines Stabs symmetrisch angeordnet. Die durch die kegelförmige tangentiale Anordnung der Gasleitführungen und die Brennerkappe gebildeten Gasleitkanäle fließende Sekundärgas umströmt tangential den Plasmastrahl und bildet einen hyperbolischen Wirbel, was den Zutritt des Wassers zum Plasmastrahl verhindert. Dieser Brenner kann aber auch zum Trockenschneiden verwendet werden, wobei das wirbelnde Sekundärgas die Brennerspitze vor dem geschmolzenen Metall des Werkstücks insbesondere beim Einstechen wesentlich schützt.In the patent application DE 38 32 630 A1 In the case of underwater cutting, the plasma jet is protected by a gas vortex, which rotates at high speed around the plasma jet. On the nozzle cap five to twenty gas guide in the form of a rod are arranged symmetrically. The secondary gas flowing through the conical tangential arrangement of the Gasleitführungen and the burner cap flowing secondary gas flows tangentially around the plasma jet and forms a hyperbolic vortex, which prevents the access of the water to the plasma jet. However, this burner can also be used for dry cutting, wherein the swirling secondary gas protects the burner tip in front of the molten metal of the workpiece, especially during piercing substantially.

Um die Oxidation der Schnittflächen durch eine Reaktion mit dem in der Umgebungsluft befindlichen Sauerstoff zu verhindern, spielt die Auswahl des Sekundärgases eine wichtige Rolle. In der früheren Patentanmeldung DE 101 44 516 A1 der Anmelderin wird Stickstoff als Sekundärgas eingesetzt. Der Plasmastrahl wird mit dem Sekundärgas, das zwischen der Düsenkappe und Schutzkappe durch den daraus entstandenen Durchgang geleitet wird und aus der ringförmigen Öffnung in die Richtung des Werkstücks austritt, umströmt. Dadurch wird eine im Wesentlichen nicht oxidierende Atmosphäre am Werkstück gewährleistet. Dieser Effekt kann durch das Zumischen von geringen Anteilen Wasserstoff (z. B. 1 bis 20%) noch verstärkt werden.In order to prevent the oxidation of the cut surfaces by a reaction with the oxygen in the ambient air, the selection of the secondary gas plays an important role. In the earlier patent application DE 101 44 516 A1 Applicant uses nitrogen as the secondary gas. The plasma jet is flowed around with the secondary gas, which is passed between the nozzle cap and protective cap through the resulting passage and exits from the annular opening in the direction of the workpiece. This ensures a substantially non-oxidizing atmosphere on the workpiece. This effect can be enhanced by adding small amounts of hydrogen (eg 1 to 20%).

Im Plasmabrenner nach dem Patent EP 0 573 653 B1 wird das durch einen ringförmigen Sekundärgaskanal hindurch tretende Sekundärgas durch einen Isolator zwischen der Düsenkappe und Schutzkappe ausgerichtet. Der Isolator hat kleine Bohrungen, die so geformt sind, dass das Sekundärgas entlang der Axialrichtung des Brennerkörpers austritt und mit ausreichender Menge und Geschwindigkeit den Plasmabogen umgibt. In einem anderen Isolator wird der Sekundärstrom als kreisender Strom erzeugt, in dem der im Isolator gebildete Richtkanal spiralförmig bezüglich des Zentralbereiches des Brenners ausgebildet ist.In the plasma torch according to the patent EP 0 573 653 B1 For example, the secondary gas passing through an annular secondary gas passage is aligned by an insulator between the nozzle cap and the protective cap. The insulator has small holes that are shaped so that the secondary gas exits along the axial direction of the burner body and surrounds the plasma arc with sufficient quantity and speed. In another insulator, the secondary current is generated as a circulating current, in which the insulator formed in the Directional channel is formed spirally with respect to the central region of the burner.

Im Patent EP 0 801 882 B1 lenkt eine Schutzkappe entlang einer kegelförmigen Oberfläche einer Düsenkappe eine Sekundärgasströmung auf den Lichtbogen. Während des Schneidens wird die Geschwindigkeit dieser Strömung so reduziert, dass der Lichtbogen nicht destabilisiert wird. Diese Schutzkappe enthält einige Entlüftungsöffnungen, die das überflüssige Gas weglenken. Die Schutzkappe und Sekundärgasströmung schützen die Düse vor geschmolzenem Metall, das von einem Werkstück auf die Düse spritzen und eine Beschädigung oder eine Parallellichtbogenbildung bewirken kann.In the patent EP 0 801 882 B1 A protective cap directs a secondary gas flow along the arcuate surface of a nozzle cap onto the arc. During cutting, the velocity of this flow is reduced so that the arc is not destabilized. This cap contains some vents that divert the excess gas away. The protective cap and secondary gas flow protect the nozzle from molten metal that can splash from a workpiece onto the nozzle and cause damage or parallel arcing.

In den oben genannten Beispielen ergibt sich der Nachteil, dass der Plasmastrahl durch das direkte Anströmen mit dem Sekundärgas, insbesondere bei einem Sekundärgasvolumenstrom, der größer als der Plasmagasvolumenstrom ist, instabil wird. Die Instabilität macht sich vor allem beim Überfahren von technologisch bedingten Schnittfugen und bei Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen, wie z. B. an Ecken und am Schneidbeginn bemerkbar. Beim Überfahren einer Schnittfuge stabilisiert sich der Schneidlichtbogen nur langsam. Es kommt zum Schwingen des Schneidlichtbogens. Dieses Schwingen bildet sich auf der entstehenden Schnittkante ab und führt so zu einer Qualitätsverschlechterung.In the abovementioned examples, there is the disadvantage that the plasma jet becomes unstable as a result of the direct flow of secondary gas, in particular in the case of a secondary gas volume flow which is greater than the plasma gas volume flow. The instability is especially when driving over technologically related kerfs and direction and speed changes, such. B. noticeable at corners and at the beginning of cutting. When crossing a kerf, the cutting arc stabilizes only slowly. It comes to swinging the cutting arc. This swinging forms on the resulting cut edge and thus leads to a deterioration in quality.

In US 6 207 923 B1 strömt ein Sekundärgas in einem Zwischenraum zwischen einer Düse mit einem verlängerten Düsenmund und einer Schutzkappe. Die Austrittsöffnung der Schutzkappe ist so geformt, dass der Düsenmund sich teilweise zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Austrittsöffnung befindet. Eine solche Anordnung erzeugt eine im wesentlichen säulenförmige Strömung des Sekundärgases um den Plasmastrahl, ohne den Plasmastrahl wesentlich zu stören, und soll die Düse vor hochspritzendem Metall des Werkstücks schützen.In US Pat. No. 6,207,923 B1 A secondary gas flows in a gap between a nozzle with an extended nozzle mouth and a protective cap. The outlet opening of the protective cap is shaped so that the nozzle mouth is partially between the inlet and the outlet of the outlet opening. Such an arrangement produces a substantially columnar flow of secondary gas around the plasma jet without substantially disturbing the plasma jet and is intended to protect the nozzle from spattering metal of the workpiece.

Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Düsenmund nur unzureichend vor hochspritzendem Metall insbesondere beim Einstechen des Plasmastrahls in das Werkstück geschützt ist. Weiterhin kann das Sekundärgas nicht gezielt in den Plasmastrahl gelenkt werden, um eine gute Schnittqualität zu erreichen.Disadvantage of this method is that the nozzle mouth is insufficiently protected against high-spraying metal in particular when piercing the plasma jet into the workpiece. Furthermore, the secondary gas can not be targeted in the plasma jet to achieve a good quality cut.

Bei bestimmten Gaskombinationen ist die aktive Teilnahme des Sekundärgases am Plasmaprozess gewünscht. Dies gilt z. B. für das Schneiden von Edelstahlen mit einem ArH₂-Gemisch als Plasmagas und Stickstoff als Sekundärgas. Hier wirkt das Sekundärgas Stickstoff nicht nur als Schutzgas, um die Schnittflächen von dem oxidierenden Sauerstoff in der Umgebungsluft zu schützen, sondern nimmt auch aktiv am Plasmaprozess teil. Es verringert die Oberflächenspannung der Schmelze, diese wird dünnflüssiger und besser aus der Schnittfuge ausgetrieben. Es entsteht ein bartfreier Schnitt. Mit der in US 6 207 923 B1 beschriebenen Anordnung ist dies nicht möglich. Auch bei der Verwendung von Sauerstoff als Plasmagas für das Schneiden von Baustählen können durch unterschiedliche Zusammensetzung des Sekundärgases, beispielsweise unterschiedliche Stickstoff- und Sauerstoffanteile, unterschiedliche Effekte hinsichtlich der Schnittqualität erzielt werden.For certain gas combinations, the active participation of the secondary gas in the plasma process is desired. This applies z. B. for cutting stainless steels with an ArH ₂ mixture as a plasma gas and nitrogen as a secondary gas. Here, the secondary gas nitrogen not only acts as a protective gas to protect the interfaces of the oxidizing oxygen in the ambient air, but also actively participates in the plasma process. It reduces the surface tension of the melt, which becomes less viscous and better expelled from the kerf. The result is a beard-free cut. With the in US Pat. No. 6,207,923 B1 this arrangement is not possible. Even when using oxygen as the plasma gas for cutting structural steels, different effects on the quality of cut can be achieved by different composition of the secondary gas, for example different nitrogen and oxygen fractions.

Aus der US 5,132,512 A ist ein Plasmabrenner mit einem Kanal für ein Sekundärgas bekannt. Dabei wird das Sekundärgas durch Bohrungen, die parallel zur Brennerachse gerichtet sind, in einen Kanal geführt, der nacheinander einen radialen, einen parallelen, einen schrägen und einen radialen Abschnitt aufweist.From the US 5,132,512 A For example, a plasma torch with a secondary gas channel is known. In this case, the secondary gas is guided through bores which are directed parallel to the burner axis, in a channel which has one radial, one parallel, one oblique and one radial section in succession.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Dabei sollen die Funktionen des Sekundärgases, wie Schutz vor hochspritzendem Metall, Schaffung einer definierten Atmosphäre um den Plasmastrahl und die aktive Teilnahme des Sekundärgases am Plasmaprozess gewährleistet sein, ohne den Plasmastrahl in seiner Stabilität zu beeinflussen.The invention is therefore based on the object to eliminate the disadvantages of the prior art described. The functions of the secondary gas, such as protection against high-velocity metal, creation of a defined atmosphere around the plasma jet and the active participation of the secondary gas in the plasma process should be ensured without affecting the plasma jet in its stability.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Plasmabrenner nach Patentanspruch 1 gelöst.According to the invention this object is achieved by a plasma torch according to claim 1.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.The subclaims relate to advantageous developments of the invention.

Durch die Erfindung wird ein homogener Sekundärgasstrom erzeugt. Dieser homogene Sekundärgasstrom führt zu einer Stabilisierung des Plasmastrahls. Dadurch wird das Schwingen des Schneidlichtbogens in schwer zu beherrschenden technologisch bedingten Schneidsituationen, wie z. B. Überfahren der Schnittfuge und der Ecke sowie Schneidbeginn verhindert. Dadurch entstehen eine wesentliche Verbesserung der Qualität des Schnittes sowie eine höhere Schneidgeschwindigkeit.The invention generates a homogeneous secondary gas flow. This homogeneous secondary gas flow leads to a stabilization of the plasma jet. As a result, the oscillation of the cutting arc in difficult to be controlled technologically induced cutting situations, such. B. driving over the kerf and the corner and cutting start prevented. This results in a significant improvement in the quality of the cut and a higher cutting speed.

Untersuchungen haben nämlich ergeben, dass die beschriebenen Nachteile durch eine neue Form der Sekundärgaszuführung beseitigt werden können. Hierdurch werden die Vorteile des Sekundärgases, wie Einschürung des Plasmastrahls, Schutz der Düse vor hochspritzendem Metall beim Einstechen, Schaffung einer definierten Atmosphäre um den Plasmastrahl und die aktive Teilnahme des Sekundärgases am Plasmaprozess weiter genutzt und gleichzeitig die Stabilität des Plasmastrahls gesichert.Studies have shown that the disadvantages described can be eliminated by a new form of secondary gas supply. As a result, the advantages of the secondary gas, such as Einschürung the plasma jet, protection of the nozzle against high-spraying metal during piercing, creating a defined atmosphere around the plasma jet and the active participation of the secondary gas in the plasma process further used and simultaneously secured the stability of the plasma jet.

Das Sekundärgas wird derart über ein Sekundärgasführungsteil in den Sekundärgaskanal geführt, dass die Sekundärgasströmung zunächst auf eine nahezu zylindrische erste Mantelfläche der Düse beziehungsweise Düsenkappe, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Plasmabrenners gerichtet ist, trifft. Danach wird das Sekundärgas über den Sekundärgaskanalteil, der durch nahezu kegelförmige Mantel- bzw. Innenflächen der Düse beziehungsweise der Düsenkappe und Düsenschutzkappe begrenzt ist, zum vorderen Ende des Plasmabrenners geführt und dann in einem Winkel von nahezu 90° zur Längsachse des Plasmabrenners einem Plasmastrahl zugeführt. Es wird angenommen, dass die besonders gute Homogenität des Sekundärgases, d. h. die besonders gute Verteilung um einen Plasmastrahl, dadurch erreicht wird, dass die Sekundärgasströmung zunächst einmal in einer sich im Wesentlichen im rechten Winkel zur Längsachse des Plasmabrenners erstreckenden Ebene auf die Mantelfläche der Düse beziehungsweise der Düsenkappe trifft und vom vorderen Ende des Plasmabrenners weiter zurückgesetzt ist und somit das Sekundärgas zusätzlich mehr Zeit hat, um sich zu verteilen. The secondary gas is passed through a secondary gas guide part in the secondary gas channel, that the secondary gas flow initially on a nearly cylindrical first lateral surface of the nozzle or nozzle cap, which is directed substantially parallel to the longitudinal axis of the plasma torch hits. Thereafter, the secondary gas is passed through the secondary gas channel part, which is bounded by almost conical mantle or inner surfaces of the nozzle or the nozzle cap and nozzle cap, to the front end of the plasma torch and then fed at an angle of almost 90 ° to the longitudinal axis of the plasma torch a plasma jet. It is assumed that the particularly good homogeneity of the secondary gas, ie the particularly good distribution around a plasma jet, is achieved by first of all directing the secondary gas flow onto the lateral surface of the nozzle in a plane extending essentially at right angles to the longitudinal axis of the plasma torch the nozzle cap hits and is further set back from the front end of the plasma torch and thus the secondary gas has additional time to disperse.

Vorteilhaft ist es auch, das Sekundärgas durch eine geeignete Ausführung des Sekundärgasführungsteils, z. B. durch Versatz der Durchlässe rotieren zu lassen. Dann erfolgt die Zufuhr des Sekundärgases zum Plasmastrahl nicht radial, sondern tangential. Der Plasmastrahl wird bei dieser Anordnung durch die große Homogenität der Sekundärgasströmung nicht instabil, sondern behält auch in Übergangsphasen seine Stabilität.It is also advantageous, the secondary gas by a suitable design of the secondary gas guide part, z. B. to rotate by displacement of the passages. Then the supply of the secondary gas to the plasma jet is not radial, but tangential. The plasma jet is not unstable in this arrangement due to the great homogeneity of the secondary gas flow, but also retains its stability in transition phases.

Verstärkt wird dieser Effekt noch, wenn nach Passieren des Sekundärgasführungsteils das Sekundärgas zunächst nicht nur auf die nahezu zylindrische erste Mantelfläche der Düse beziehungsweise der Düsenkappe trifft, sondern gleichzeitig in eine Entspannungsraumerweiterung strömt, die eine größere Entspannung des Sekundärgases zulässt, bevor das Sekundärgas dann über die kegelförmigen Mantel- bzw. Innenflächen dem Plasmastrahl radial oder tangential zugeführt wird. In diesem Falle verfügt dieser Bereich der Düsenkappe mit Entspannungsraumerweiterung über einen geringeren Durchmesser als der Beginn des nachfolgenden kegelförmigen Abschnitts.This effect is reinforced even if, after passing through the secondary gas guide part, the secondary gas initially not only on the almost cylindrical first lateral surface of the nozzle or the nozzle cap, but at the same time flows into a relaxation space extension, which allows a greater relaxation of the secondary gas before the secondary gas then over the conical shell or inner surfaces of the plasma jet is supplied radially or tangentially. In this case, this area of the nozzle cap with expansion chamber extension has a smaller diameter than the beginning of the subsequent conical section.

Wird ein gasgekühlter oder indirekt wassergekühlter Plasmabrenner verwendet, entfällt oftmals die Düsenkappe. Dann übernimmt die Düse die raumbegrenzende Aufgabe der Düsenkappe. Die Düse ist in diesem Fall geometrisch so wie die Düsenkappe ausgebildet. Damit werden die Vorteile der Erfindung auch in dieser Plasmabrennervariante garantiert.If a gas-cooled or indirectly water-cooled plasma torch is used, the nozzle cap is often omitted. Then the nozzle takes over the space-limiting task of the nozzle cap. The nozzle is geometrically formed in this case as the nozzle cap. Thus, the advantages of the invention are also guaranteed in this plasma torch variant.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:Further features and advantages of the invention will become apparent from the claims and from the following description, are explained in the embodiments with reference to the schematic drawings in detail. Showing:

1 eine Teilschnittdarstellung des vorderen Bereiches eines Plasmabrenners gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung; 1 a partial sectional view of the front portion of a plasma torch according to a particular embodiment of the invention;

1.1 bis 1.9 Details von 1 mit Varianten der Gestaltung des Sekundärgaskanals sowie 1.10–1.12 nicht zur Erfindung gehörige Ausführungsformen; 1.1 to 1.9 Details of 1 with variants of the design of the secondary gas channel as well 1.10 - 1.12 not belonging to the invention embodiments;

2.1 eine Ausführungsform eines Sekundärgasführungsteils in Draufsicht von oben teilweise im Schnitt; und 2.1 an embodiment of a secondary gas guide member in plan view from above partially in section; and

2.2 eine weitere Ausführungsform eines Sekundärgasführungsteils in Draufsicht von oben teilweise im Schnitt. 2.2 a further embodiment of a secondary gas guide part in plan view from above partially in section.

1 zeigt einen Plasmabrenner 1 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Der Plasmabrenner 1 hat einen Brennerkörper 2 mit einer Elektrode 3 und einer Düse 4, der eine Längsachse L des Plasmabrenners 1 definiert. Die Elektrode 3 und die Düse 4 sind im Brennerkörper 2 koaxial angeordnet, befinden sich in einem bestimmten räumlichen Verhältnis und bilden eine Plasmakammer 6, durch die ein Plasmagas PG strömt, das über einen Plasmagaskanal 6a zugeführt wird. Eine Düsenkappe 5 ist koaxial zur Längsachse L des Plasmabrenners 1 angeordnet und hält die Düse 4. Zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 5 befindet sich ein Raum 11, durch den Kühlwasser strömt. Das Kühlwasser wird über einen Wasservorlauf WV zugeführt und strömt über einen Wasserrücklauf WR ab. 1 shows a plasma torch 1 according to a particular embodiment of the invention. The plasma torch 1 has a burner body 2 with an electrode 3 and a nozzle 4 , the longitudinal axis L of the plasma torch 1 Are defined. The electrode 3 and the nozzle 4 are in the burner body 2 Coaxially arranged, are in a certain spatial relationship and form a plasma chamber 6 through which a plasma gas PG flows through a plasma gas channel 6a is supplied. A nozzle cap 5 is coaxial with the longitudinal axis L of the plasma torch 1 arranged and holds the nozzle 4 , Between the nozzle 4 and the nozzle cap 5 there is a room 11 through which cooling water flows. The cooling water is supplied via a water feed WV and flows through a water return WR.

Ein ringförmiges Sekundärgasführungsteil 8 mit einer Vielzahl von Durchlässen in Form von Bohrungen, von denen nur einer mit dem Bezugszeichen 8a gekennzeichnet ist, ist so in einem zwischen der Düsenkappe 5 und einer Düsenschutzkappe 7 gebildeten Sekundärgaskanal 9 zwischen einem Sekundärgaseinlaß 8b und dem vorderen Ende des Sekundärgaskanals 9 angeordnet, dass das durch den Durchlaß 8a strömende Sekundärgas SG auf eine nahezu zylindrische erste Mantelfläche der Düsenkappe 5, die einen ersten zylindrischen Abschnitt 5a der Düsenkappe 5 ergibt, trifft. Das Sekundärgas SG wird danach durch den Sekundärgaskanal 9, der durch eine nahezu kegelförmige zweite Mantelfläche der Düsenkappe 5 in einem unteren Abschnitt 5b und eine entsprechende kegelförmige Innenfläche 7b der Düsenschutzkappe 7 begrenzt ist, zum vorderen Ende des Plasmabrenners 1 geführt, dann in einem Winkel von nahezu 90° zur Längsachse L des Plasmabrenners 1 einem Plasmastrahl (nicht gezeigt) zugeführt und tritt durch eine Austrittsöffnung 7a der Düsenschutzkappe 7 aus. Das rotierende Sekundärgas SG umströmt den Plasmastrahl nach seinem Austritt aus einer Düsenöffnung 4a und schafft zusätzlich eine definierte Atmosphäre um den Plasmastrahl.An annular secondary gas guide part 8th with a plurality of passages in the form of bores, of which only one with the reference numeral 8a is so in one between the nozzle cap 5 and a nozzle cap 7 formed secondary gas channel 9 between a secondary gas inlet 8b and the front end of the secondary gas passage 9 arranged that through the passage 8a flowing secondary gas SG on a nearly cylindrical first surface of the nozzle cap 5 which has a first cylindrical section 5a the nozzle cap 5 results, meets. The secondary gas SG is then passed through the secondary gas passage 9 by a nearly conical second lateral surface of the nozzle cap 5 in a lower section 5b and a corresponding conical inner surface 7b the nozzle protection cap 7 is limited to the front end of the plasma torch 1 guided, then at an angle of almost 90 ° to the longitudinal axis L of the plasma torch 1 a plasma jet (not shown) and passes through an exit port 7a the nozzle protection cap 7 out. The rotating secondary gas SG flows around the plasma jet after its exit from a nozzle opening 4a and also creates a defined atmosphere around the plasma jet.

Die Durchlässe 8a des Sekundärgasführungsteils 8 sind so angeordnet, dass eine rotierende Strömung des Sekundärgases SG entsteht. Beispielsweise können die Durchlässe im Sekundärgasführungsteil 8a, äquidistant über den Kreisumfang des Sekundärgasführungsteils 8 und sich radial erstreckend (2.1) oder mit einem Versatz zur Radiale (2.2), d. h. auf einen jeweils gegenüber dem tatsächlichen Kreismittelpunkt versetzten Punkt ausgerichtet, angeordnet sein.The passages 8a the secondary gas guide part 8th are arranged so that a rotating flow of the secondary gas SG is formed. For example, the passages in the secondary gas guide part 8a , Equidistant over the circumference of the secondary gas guide part 8th and extending radially ( 2.1 ) or with an offset to the radial ( 2.2 ), ie, aligned with a respective point offset from the actual center of the circle.

Die Neigung der nahezu zylindrischen ersten Mantelfläche der Düsenkappe 5 kann bis ±15° (1.1, 1.2, und 1.3) gegenüber der Längsachse L des Plasmabrenners 1 betragen. Bei einer Neigung von W3 = –15° (1.3) wird der Effekt der Homogenität ähnlich wie bei Raumvergrößerung durch zylindrische Flächen erreicht und eine besonders gute Homogenität erreicht.The inclination of the almost cylindrical first lateral surface of the nozzle cap 5 can be up to ± 15 ° ( 1.1 . 1.2 , and 1.3 ) with respect to the longitudinal axis L of the plasma torch 1 be. At an inclination of W3 = -15 ° ( 1.3 ) the effect of homogeneity is achieved similar to enlargement of space by cylindrical surfaces and achieves a particularly good homogeneity.

Die Übergänge zwischen den ersten und zweiten Mantelflächen der Düsenkappe 5 und entsprechenden ersten und zweiten Innenflächen der Düsenschutzkappe 7 können scharfkantig (1.1–1.3), mit Fasen (1.4–1.6) oder Radien (1.4–1.9) versehen sein. Dabei besteht auch die Möglichkeit der Kombinationen von Radien und Fasen bei den Übergängen.The transitions between the first and second lateral surfaces of the nozzle cap 5 and corresponding first and second inner surfaces of the nozzle guard 7 can be sharp-edged ( 1.1 - 1.3 ), with bevels ( 1.4 - 1.6 ) or radii ( 1.4 - 1.9 ) be provided. There is also the possibility of combinations of radii and chamfers at the transitions.

1.10–1.12 zeigen nicht zur Erfindung gehörige Ausführungsformen mit einer Entspannungsraumerweiterung 10, in welche das Sekundärgas SG aus den Durchlässen 8a des Sekundärgasführungsteils 8 strömt, um die Stabilität des Plasmastrahls weiter zu verbessern. Diese Entspannungsraumerweiterung 10 kann beispielsweise eine runde (1.10), eine rechteckige (1.11) oder eine mehrfasige (1.12) Form haben. 1.10 - 1.12 show not belonging to the invention embodiments with a relaxation space extension 10 into which the secondary gas SG from the passages 8a the secondary gas guide part 8th flows to further improve the stability of the plasma jet. This relaxation room extension 10 For example, a round ( 1.10 ), a rectangular ( 1.11 ) or a multi-faceted ( 1.12 ) Have shape.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawings and in the claims may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Plasmabrennerplasma torch
22: Brennerkörpertorch body
33: Elektrodeelectrode
44: Düsejet
4a4a: Düsenöffnungnozzle opening
55: Düsenkappenozzle cap
5a5a: Erster Abschnittfirst section
5b5b: Zweiter Abschnittsecond part
66: Plasmakammerplasma chamber
6a6a: PlasmagaskanalPlasma gas channel
77: DüsenschutzkappeNozzle cap
7a7a: Austrittsöffnungoutlet opening
7b7b: Innenflächepalm
88th: SekundärgasführungsteilSecondary gas guide part
8a8a: DurchlaßPassage
8b8b: SekundärgaseinlaßSecondary gas inlet
99: SekundärgaskanalSecondary gas channel
9a9a: SekundärgaskanalteilSecondary gas passage part
1010: EntspannungsraumerweiterungRelaxation room extension
1111: Raumroom
LL: Längsachselongitudinal axis
PGPG: Plasmagasplasma gas
SGSG: Sekundärgassecondary gas
WVWV: Wasservorlaufwater flow
WRWR: WasserrücklaufWater return

Claims

Plasma torch ( 1 ) with a torch body ( 2 ) • one in the burner body ( 2 ) arranged electrode ( 3 ) • a nozzle ( 4 ), which has a central nozzle opening ( 4a ) and is arranged so that the electrode ( 3 ) through a plasma gas channel ( 6a ), which is formed between them, • a nozzle cap ( 7 ), which is arranged at its front end side, the nozzle opening ( 4a ) opposite outlet opening ( 7a ) and an annular secondary gas channel ( 9 ) inside the nozzle protection cap ( 7 ) which communicates with the outlet opening ( 7a ), wherein the nozzle protection cap ( 7 ) with respect to the electrode ( 3 ) and the nozzle ( 4 ) is arranged electrically isolated, • one between a secondary gas inlet ( 8b ) and the front end of the secondary gas channel ( 9 ) arranged secondary gas guide part ( 8th ), which is a ring in which over its circumference at least two passages ( 8a ) are arranged equidistantly, wherein the passages ( 8a ) extend radially or have an offset to the radial, wherein - the secondary gas channel ( 9 ) between the secondary gas guide part ( 8th ) and its front end is formed such that - immediately after passing through the secondary gas guide part ( 8th ) to the longitudinal axis L of the plasma torch ( 1 ) at an angle in the range of 0 ° ± 15 ° to the longitudinal axis L of the plasma torch ( 1 ) inclined secondary gas channel part ( 9a ), - the substantially parallel secondary gas channel part ( 9a ) obliquely to the longitudinal axis L of the plasma torch ( 1 ) towards the front end of the plasma torch ( 1 ) leading secondary gas duct part connects, and - at the front end of the secondary gas duct part at a right angle to the longitudinal axis L the plasma torch arranged secondary gas channel part connects, so that the secondary gas is supplied to the plasma jet vertically.

Plasma torch according to claim 1, characterized in that a nozzle cap ( 5 ) is provided, which the nozzle ( 4 ) with the exception of at least the nozzle opening ( 4a ) and within the nozzle cap ( 7 ) and from this at its front end side through the secondary gas channel ( 9 ) is disconnected.

Plasma torch according to claim 1 or 2, characterized in that the nozzle ( 4 ) or the nozzle cap ( 5 ) in the region of the secondary gas guidance part ( 8th ) has a substantially cylindrical first lateral surface and towards the front end of the plasma torch ( 1 ) towards the front end of the plasma torch ( 1 ) in the substantially conically tapered second lateral surface of the nozzle ( 4 ) or the nozzle cap ( 5 ).

Plasma torch ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the first lateral surface at an angle in the range of 0 ° ± 15 ° to the longitudinal axis L of the plasma torch ( 1 ) is inclined.

Plasma torch ( 1 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the transition between the first and second lateral surfaces is rounded, beveled or sharp-edged.

Plasma torch ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the offset to the radial is in the range of 0.5 to 4 millimeters.

Plasma torch ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the passage ( 8a ) has a diameter in the range of 0.2 to 1.0 millimeters.