DE2025368A1

DE2025368A1 - Elektrischer Lichtbogenbrenner

Info

Publication number: DE2025368A1
Application number: DE19702025368
Authority: DE
Inventors: Bruce 0. Lebanon; Betourney Henry J. Claremont New Hampshire Hatch (Großbritannien)
Original assignee: Thermal Dynamics Corp
Current assignee: Victor Equipment Co
Priority date: 1969-05-29
Filing date: 1970-05-25
Publication date: 1970-12-03
Also published as: GB1272544A; DE2025368B2; FR2048968A5; AU1950470A; DE2025368C3; US3562486A; AU439468B2

Description

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DR. E. Wl EGAN D DlPL-ING. W. NIEMANN 2025368

DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDX MDNCHEN HAMBURG TELEFON= 355314 2000 HAMBU RG 50, TELEGRAMME: KARPATENT KDN.GSTRASSE 28

W.14863/70 12/Me

Thermal Dynamics Corporation, Lebanon, New Hampshire (V.St,A.)

Elektrischer Lichtbogenbrenner.

Die Erfindung bezieht sich auf plasmaerzeugende elektrische Lichtbogenbrenner.

Es ist für wirksames Arbeiten elektrischer Lichtbogenbrenner wesentlich, daß die räumliche Beziehung der Elektroden genau gesteuert wird. Es ist weiterhin wichtig, daß das plasmabildende Gas in den Brenner so eingeführt wird, daß es in den lichtbogenbildenden Bereich in einem bestimmten Muster und dann durch die Brennerdüse strömt. Es 1st gefunden worden, daß die Elektrodenhaltemittel und die Gaskanäle in einer Weise kombiniert werden können, daß mechanische Stabilität der Brennerelektroden gewährleistet ist und daß gleichzeitig Kanäle derart geschaffen sind, daß das Gas so genau wie erforderlich strömen gelassen werden kann.

Der Brenner gemäß der Erfindung ist .von einfacher Ausführung und er soll in Übertragungsarbeitsweise arbeiten. D. h. der Brenner selbst enthält eine Elektrode und das Werkstück, an welchem der Brenner verwendet wird, schafft das andere Bogenende. üblicherweise arbeitet die Brenner-

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elektrode als Kathode bzw. als elektronenemittierendes Element, während das Werkstück als Anode dient. Dieser Brenner kann auf diese Weise oder mit umgekehrter Polarität betrieben werden. Wenn mit umgekehrter Polarität gearbeitet wird, ist eine geringfügige Änderung der Düsengestalt erwünscht, wie es nachstehend erläutert wird.

Die Brennerdüse dient weiterhin als Anode für einen Führungs- bzw. Hilfslichtbogen. Dieser Führungs- bzw. Hilfslichtbogen überragt viel iiSiiere Energiepegel zu dem ψ Werkstück, wenn der Brenner zu Mutzarbeitsvorgängen übergeht. Solche Arbeitsvorgänge können Schneiden, Schweißen, Überziehen oder einfaches Erhitzen für eine Yielzahl anderer Zwecke umfassen. Die Düse dient weiterhin als Lichtbogenkollimator oder Lichtbogensammler und sie begrenzt in Verbindung mit dem Gas den Lichtbogen und richtet ihn als stabilen gut definierten Austrittsstrom zu dem Merkstück.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Pig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Brenners gemäß der Erfindung«

Pig. 2 ist eine Ansicht ein©!· abgewandelten Düse für fe Arbeiten mit umgekehrter Polarität.

Fig. j5 ist eine Einzelansiehfc der Elektrode und einer Haltehülse.

Pig. h ist eine Teilansichfc einer möglichen Abwandlung der Haltehülse.

Gemäß Pig. 1 bildet ein äußeres Gehäuse 5 den Körper des Brenners. Auf der Achse des Gehäuses 5 liegt eine Kathodenelektrode 6, die vorzugsweise eine langgestreckte zylindrische Stange aus hltzebesfcändigem Material wie Wolfram ist. Das Düsenende der Elektrode 6 ist gemäß der Darstellung verjüngt und im Betrieb werden Elektronen an der Spitze 7 thermionisch emittiert.

Die Elektrode 6 ist in einer Hülse 8 aufgenommen, welehe die Elektrodo 6 umgibt und sicher in ihrer axialen Stellung

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hält. Die Hülse 8 ist aus dielektrischem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet. Die Hülse 8 bestimmt zusammen mit der Anode 9 eine Kammer 10 und eine Düse 11. Die Hülse 8 schafft die elektrische Isolierung der Elektrode 6 und eine Leitungseinrichtung, um der Kammer 10 plasmabildendes, den Lichtbogen stabilisierendes Gas zuzuführen. Das Gas wird, wie durch den Pfeil dargestellt, in einen Hohlraum 12 eingeführt und dann entlang eines beträchtlichen Teiles der Länge der Elektrode 6 durch Rinnen 13 geführt, die an der Außenfläche der Hülse 8 gebildet sind. Diese. Rinnen 13 können parallel zur Brennerachse verlaufen, oder sie können schraubenlinienförmig verlaufen, wie es in H.g. 3 dargestellt ist. Die Gasströmung trägt zur Kühlung des Brenners bei. Die Hülse 8, die wärmeleitend ist, kühlt die Elektrode 6, da sie ihrerseits von dem Strom von Gasen gemäß vorstehender Beschreibung gekühlt wird. Es können auch Wassermäntel in dem Brennergehäuse 5 vorgesehen sein. Zwecks Klarheit sind sie fortgelassen, jedoch ist ihre Verwendung in der Technik bekannt. .

Eine Mehrzahl von Löchern l4 ist in der Hülse 8 gebohrt und sie verbinden eine Kammer 15 mit der Kammer 10. Diese Löcher 14 können gemäß der Darstellung zur Achse des Brenners sjhräg verlaufen und sie können in einem Verbundwinkel oder Compoundwinkel liegen, um eine Wirbelströmung in die Kammer hinein zu schaffen, wenn es gewünscht wird, und zwar in dem gleichen Sinn wie die schraubenlinienförmigen Rinnen 13 gemäß Fig. 3.

Beim Arbeiten wird der Lichtbogen zwischen der Spitze der Elektrode 6 und der Anode 9 gezogen. Dieser Lichtbogen ist ein Pührungs- bzw. Hilfslichtbogen, der durch einen Begrenzungswiderstand 16 auf niedrigem Strompegel gehalten ist. Er ist von einer Energiezufuhr 17 getragen, und der Stromkreis wird zu der Elektrode 6 über eine Endkappe 18 vervollständigt, die von dem übrigen Teil des Brenners elektrisch isoliert ist. Die Elektrode 6 ist in der Kappe 18 durch eine Sicherungs-

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schraube 19 gehalten. Die Stellung der Spitze 7 in der Kammer 10 kann von Zeit zu Zeit eingestellt werden, um irgendwelche Erosion an der Spitze auszugleichen. Die Elektrode 6 kann auch neu angeschärft werden, wenn es gelegentlich erforderlich ist, und in die richtige Stellung in der Kammer 10 neu eingestellt werdenjDiese Stellung kann leicht gefunden werden durch Einsetzen einer Stellungslehre in die Düse 11, gegen welche die Spitze 7 gebracht wird, bevor die Sicherungsschraube 19 angezogen wird.

Wenn der Führungs- bzw. Hilfslichtbogen hervorgerufen

" ist, tritt ein ionisierter Gasstrom (das Gas kann Argon sein) aus der Düse 11 aus. Der Lichtbogen kann dann direkt zu einem Werkstück 20 überführt werden und er arbeitet danach als Hauptarbeitslichtbogen mit viel höheren Energiepegeln, um das Werkstück zu schneiden, zu schweißen, oder zu überziehen oder auf andere Weise zu behandeln.

An dieser Stelle ist zu bemerken, daß das Arbeitsende des Brenners mit einer elektrisch neutralen Abschirmung versehen sein kann, wie es in der USA-Patentschrift ;5 204 075 beschrieben ist. Zusätzlich können, wie dort beschrieben, Sekundarabschirmungsgase verwendet werden, um die Lichtbogensäule zu umgeben.

fc Gewöhnlich arbeitet die Elektrode 6 als Kathode und der

Lichtbogen wird durch plasmabildende Gase abgestützt oder unterstützt, die von einer durch den Handgriff des Brenners laufenden Gasleitung durch die Rinnen I5 unter Druck eingeführt werden. Wenn der Brenner mit umgekehrter Polarität betrieben werden soll, wird die Gestaltung gemäß Fig. 2 bevorzugt, bei der die Kammer 10 etwas abgerundet ist und eine Elektrode 6 mit viel stumpferem Ende verwendet wird. Diese Änderung wird empfohlen, weil, wenn die Elektrode als Anode wirkt (wobei das Werkstück die Kathode ist) zusätzliches Material an der Spitze erwünscht ist, um die zusätzliche Wärme aufzunehmen, die durch Elektronenkondensation entwickelt wird.

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Es ist von außerordentlicher Bedeutung, daß die Elektrode in der Kammer 10 und mit Bezug auf die Achse der Düse 11 sehr genau zentriert ist. Dies ist wichtig, weil selbst die geringste Abweichung bewirkt, daß der Lichtbogen die der Elektrode 6 zunächst liegende Seite der Kammer und der Düse bevorzugt. Dies führt zu der als "Doppellichtbogenbildung" bekannten Erscheinung, was bedeutet, daß der Elektronenstrom in die Düsenwand läuft und ein zweiter Lichtbogen sich von selbst von der Fläche der Anode 9 zu dem Werkstück bildet.

Es ist selbstverständlich wesentlich, daß nur ein Lichtbogen gebildet wird und daß dieser Lichtbogen auf der Achse der Düse stabilisiert bleibt. Hierfür wird die Hülse 8 verwendet. Die Hülse 8 erstreckt sich über einen beträchtlichen Teil der Länge der aus Wolfram bestehenden Stangenelektrode 6 mit sehr geringem Überhang der Elektrode 6 über das Ende der Hülse 8. Die Hülse 8 muß ein ein elektrischer Isolator sein und muß dennoch in der Lage sein, die entwickelte Wärme von der Elektrode weg und in den wassergekühlten Körper 5 des Brennas zu leiten. Bornitrid ist das Ideale Material für diesen Zweck. Es ist mechanisch fest, um die Elektrode 6 in der genauen gewünschten axialen Stellung zu halten, und es ist wärmeleitend und elektrisch isolierend. Diese beiden zuletzt genannten Eigenschaften werden üblicherweise nicht gemeinsam angetroffen.

Zusätzlich unterstützt der Gasstrom entlang der Hülse 8 (durch die Rinnen 13) den Transport von Wärme vom Arbeitsende der Elektrode 6 weg. In Pig. j5 ist die Hülse 8 im einzelnen mit einer glatten Bohrung dargestellt, um eine große Berührungsfläche mit der zylindrischen Fläche der Wolframelektrode β zu schaffen.

Bei niedrigen Energiepegeln, beispielsweise wenn kleine und empfindliche Teile geschweißt werden, ist es möglich, eine Hülse 8 zu verwenden, die aus Lava oder Basalt oder auo einem Keramik gebildet ist. Diese Substanzen leiten Wärme

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nicht so gut wie das vorgenannte Bornitrid, jedoch kann eine solche Hülse die dreifache Funktion der mechanischen Orientierung, der elektrischen Isolierung und der Kanalführung der plasmabildenden Gase ausüben. Die Ausführung gemäß Fig. 4 ist in solchen Fällen besonders wirksam, wo.-·... die Gase in inneren entweder axialen oder Schraubenlinienförmigen Nuten, wie dargestellt, strömen. Hier befinden sich: die Gase in direkter Berührung mit der Elektrode 6 über-.:■-,.!: l einen beträchtliuhen Teil von deren Länge und sie werden; so geführt, daß sie in intensiven Strömen direkt entlang der Elektrodenfläche strömen.· In dem beträchtlichen Ausmaß, in dem diese Gase Wärme aus der Elektrode 6 abziehen, werden sie um eine gewisse Strecke oder einen gewissen Abstand in Richtung gegen den Plasmazustand vorerhitzt. Gleichzeitig:. ordnen die Stege an der Innenfläche die Elektrode sicher in der gewünschten mittleren Stellung an.

Das Wesen der Erfindung liegt in der Schaffung einer neuen Elektrode, die durch eine Haltehülse gekühlt und zentriert ist, wobei die Hülse weiterhin als Plasmagasverteilerleitung und als elektrisch isolierendes Element zwischen der Elektrode und dem Brennergehäuse wirkt.

Dieser Dreifachfunktion kann eine vierte Funktion die Wärmeleitfähigkeit ~ hinzugefügt werden, indem eine Substanz wie Bornitrid für die Hülse verwendet wird. Es ist nunmehr möglich, eine stangenförmige Wolframelektrode zu montieren, die einen Durchmesser von nur 6,35 mm (0,250") hat und bis zu einer Stelle, die 6,35 mm (0,250^H) von ihrer Spitze entfernt ist, gehalten wird. Es ist möglich, mit einer Elektrode solch kleiner Abmessungen (wenn sie als Kathode benutzt wird) 700 Ampere bei 120 Volt zu liefern für kontinuierliches Arbeiten ohne Verbrauch, wenn geschnitten wird, und 400 Ampere bei 20 Volt kontinuierlich zu liefern, wenn ein Werkstück geschweißt wird. Solche Energiepegel konnten bisher nicht mit Elektroden erzielt werden, die klein genug für komplizierte Schweiß- oder

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Schneidvorgänge sind. Die hier beschriebene Ausführung hat dies möglich gemacht. Es werden vier wesentliche Punktionen von einem einzigen einfachen Element ausgeübt: a) genaues mechanisches Zentrieren der Elektrode, b) elektrische Isolierung der Elektrode, c) Kühlen der Elektrode durch Schaffen eines Weges für Wärmefluß über eine beträchtliche Elektrodenflache und d) Kanalführung von plasmabildendem Gas entlang der Elektrode und in und durch die Brennerdüse. Die Funktion c) wird ausgeübt durch enges Führen der Gase über die Elektrodenfläche (wie gemäß Fig. 4) oder durch Gewährleisten von Berührung der "glatten Bohrung mit engem Gleitsitz zwischen Elektrode und Hülse. In dem letzteren Fall wird die Wärmeleitfähigkeit der Hülse ein wichtiger Faktor und das Material der Hülse wird in Übereinstimmung damit ausgewählt, wie es oben erläutert ist. Die Wärmeausdehnung der Elektrode gewährt enge Berührung mit der Bohrung der Hülse, um guten Wärmeübergang zu gewährleisten.

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Claims

Pa t entans prüche

1,,/Elektrischer Lichtbogenbrenner mit einem Brennergehäuse, in dem eine langgestreckte Elektrode angeordnet ist, mit einer Düse, die einen Lichtbogendurchgang hat, der im Abstand von der Elektrode liegt, und mit einer Energieeinrichtung, um eine Lichtbogensäule von der Spitze der Elektrode durch den Durchgang hindurch hervorzurufen und aufrechtzuerhalten, gekennzeichnet durch eine langge- ^ streckte Haltehülse (8), die aus dielektrischem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet und zwischen der Elektrode (6) und dem Gehäuse (5) angeordnet ist und sich über einen beträchtlichen Teil ihrer Länge und über einen beträchtlichen Teil der Länge derElektrode (6) in Gleiteingriff mit dieser und mit dem Gehäuse (5) befindet, um die Elektrode (6) in dem Gehäuse genau zu zentrieren und gegenüber dem Gehäuse zu isolieren, und durch eine Mehrzahl von Gasleitungskanälen (ljj) in der Hülse (8), die sich durch einen beträchtlichen Teil ih«r Länge erstrecken und mit dem Durchgang (11) in Verbindung stehen, so daß die Elektrode durch den Durchgang von Gas durch die Kanäle zu dem Durchgang gekühlt ist.

ρ 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8) aus Bornitrid gebildet ist.

^. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (lj5) entlang der Außenfläche der Hülse (8) und parallel zu deren Achse gebildet sind.

4. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle entlang der Außenfläche der Hülse (8) gebildet sind und sich entlang ihrer Länge in einem schraubenlinienförmigen Muster erstrecken.

5. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle an der Innenfläche der Hülse und parallel zu Ihrer Achse gebildet sind.

6. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Kanäle entlang der Innenfläche der Hülse gebildet sind und sich in schraubenlinienförmigetn Muster entlang der Länge der Hülse erstrecken.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus Lava oder Basalt gebildet ist.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus keramischem Material gebildet ist.

9· Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode und die Hülse so gebildet sind, daß bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur des Brenners die Elektode mit entern Gleitsitz in der Bohrung der Hülse angeordnet ist.

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