DE69232651T3

DE69232651T3 - Lichtbogen-Plasmaschneidvorrichtung und -verfahren mit hochsauerstoffhaltigem Gasschutz

Info

Publication number: DE69232651T3
Application number: DE69232651T
Authority: DE
Inventors: Richard W. Jr. Hanover Couch; Nicholas A. Norwich Sanders; Lifeng Lebanon LUO; John R.R.2 Sobr
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 1991-04-12
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2012-03-10
Also published as: CA2108121A1; WO1992018282A1; DE69233071D1; DE69229006D1; AU669313B2; AU1772592A; AU1365095A; DE69232651D1; AU660021B2; US5396043A; JPH06508793A; AU678730B2; JP3172532B2; DE69233071T2; US5591357A; DE69232651T2; DE69229006T2; EP0697935B1; EP0697935A4; DE69233071T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Plasmalichtbogen-Schneidverfahren. Genauer ausgedrückt, betrifft sie ein Verfahren und die Verwendung einer Vorrichtung zum Zweistromdurchstechen und -schneiden von Metallwerkstücken, das schneller ist, eine bessere Schnittqualität hat und den Brenner vor Metallschmelzespritzer aufgrund des Einsatzes eines Hochgeschwindigkeits-Sekundärgasstromes mit genau definierten Strömungsbedingungen und einer neuen Zusammensetzung schützt.
Plasmalichtbogenbrenner haben einen weiten Anwendungsbereich, wie zum Beispiel das Schneiden von dicken Stahlplatten und das Schneiden von verhältnismäßig dünnen Blechen aus galvanisiertem Metall, die üblicherweise in Heizungs-Belüftungs-Luftklima-(HVAC)-Systemen verwendet werden. Zu den Grundkomponenten eines Plasmalichtbogenbrenners gehören ein Brennergehäuse, eine Elektrode (Kathode), die in dem Gehäuse angeordnet ist, eine Düse (Anode) mit einer zentralen Austrittsöffnung, ein Strom aus einem ionisierbaren Gas, elektrische Verbindungen, Kanäle für Kühl- und Lichtbogensteuerfluids und eine Energieversorgungseinrichtung, die einen Zündlichtbogen in dem Gas, typischerweise zwischen der Elektrode und der Düse, und dann einen Plasmalichtbogen, einen leitenden Strom aus dem ionisierten Gas von der Elektrode zu einem Werkstück erzeugt. Das Gas kann nicht oxidierend, wie z. B. Stickstoff, Argon, oder oxidierend, wie z. B. Sauerstoff oder Luft, sein.
Verschiedene Plasmalichtbogenbrenner dieses allgemeinen Typs sind in den US-Patent-Nr. 3 641 304 von Couch und Dean, 3 833 787 von Couch, 4 203 022 von Couch und Bailey, 4 421 970 von Couch, 4 791 268 von Sanders und Couch und 4 816 637 von Sanders und Couch beschrieben, die gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden. Plasmalichtbogenbrenner und verwandte Produkte werden in vielen verschiedenen Modellen von Hypertherm, Inc. aus Hanover, New Hampshire, verkauft. Der MAX 100-Brenner von Hypertherm ist typisch für Brenner mittlerer Leistung (100 Ampere Ausgangsleistung), die Luft als Arbeitsgas verwenden und sowohl bei der Plattenherstellung als auch bei HVAC-Anwendungen nützlich sind. Der HT400-Brenner ist typisch für Brenner hoher Leistung (260 Ampere), die oft Sauerstoff als Arbeitsgas benutzen. Brenner hoher Leistung werden typischerweise wassergekühlt und werden zum Durchstoßen und Schneiden von dicken Metallblechen, z. B. einer 25,4 mm (1 Zoll) dicken Platte aus weichem unlegierten Stahl verwendet.
Zu den Konstruktionsmerkmalen dieser Brenner gehört das Kühlen des Brenners, da der Lichtbogen Temperaturen über 10.000°C erzeugt, die, wenn nicht gekühlt werden würde, den Brenner insbesondere die Düse zerstören könnten. Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass der Lichtbogen gesteuert werden muss, sowohl um den Brenner selbst vor dem Lichtbogen zu schützen, als auch um die Qualität des in einem Werkstück gemachten Schnittes zu verbessern. Bei einer früheren Erfindung von einem der gegenwärtigen Anmelder, die im US-Patent Nr. 3 641 308 beschrieben wurde, wird ein Kühlwasserstrom in der Düse eines Brenners dazu benutzt, den Lichtbogen einzuengen und dadurch eine bessere Schnittqualität zu erzeugen. Es wurde auch festgestellt, dass die Schnittqualität erheblich verbessert werden kann, wenn das Plasma verwirbelt wird, indem es zum Beispiel den Plasmakammern durch einen Wirbelring, der eine Gruppe von außermittigen Löchern hat, zugeführt wird.
Beim Ausschneiden von Teilen aus einem Blech beginnt ein Schnitt oft mit dem Durchstoßen des Bleches an einer inneren Stelle. Da das Metall nicht durchgeschnitten wird, wenn das Durchstoßen beginnt, kann die Metallschmelze nicht durch die Schwerkraft aus der Kerbe herauslaufen. Es wird daher nach oben auf den Brenner gespritzt. Dies ist unerwünscht, weil das Metall den Lichtbogen destabilisieren kann, so dass es die Düse aushöhlt, und es kann an der Düse anhaften, was oft zu einer Doppellichtbogenbildung führt, bei der der Plasmalichtbogen von der Elektrode zu der Düse und dann zu dem Werkstück über einen leitenden Weg aus geschmolzenem Metall strömt. Sowohl das Aushöhlen als auch die Doppellichtbogenbildung verringern die Düsenstandzeit oder zerstören sie. Es ist auch wichtig, dass der sich ergebende Schnitt glatt ist, möglichst frei von Schlacke ist und einen Schnittwinkel hat, der vorzugsweise 0°C oder nahe daran ist, d. h., dass die "gute" Seite der Kerbe eine Oberfläche hat, die senkrecht zu dem Metallblech selbst ist.
In der Vergangenheit bestand die Lösung für das Eindämmen des Aushöhlens und der Doppellichtbogenbildung aufgrund von Metallspritzern bei Hochstrombrennern (200 Ampere oder mehr) darin, eine mehrteilige Düse mit Wassereinspritzkühlung zu verwenden. Derartige, von Hypertherm, Inc. verkaufte Düsen sind schematisch in den 1A und 1B dargestellt. Die Hypertherm Modelle Nr. HT400 0,099, HT400 0,166 und PAC500 0,187 entsprechen den 1A und benutzen eine mit Wasser gekühlte keramische Düsenaußenfläche. 2B zeigt eine Variante dieser Ausführung, die von Hypertherm, Inc. als Modell PAC500 0,250 verkauft wird.
Für einen Niedrigstrombetrieb, 0–200 Ampere, ist die Wassereinspritzkühlung wegen ihrer Kosten und des Energieabzugs aus dem Plasma durch die Wasserkühlung weniger praktisch. Die übliche kommerzielle Lösung für luftgekühlte Brenner geringer Leistung bestand einfach darin, das Metall an den Brennerteilen sich ansetzen zu lassen und sie dann zu ersetzen. Eine typische Düsenstandzeit für einen solchen Brenner, der bei 40 bis 50 Ampere beim Durchstoßen und Schneiden von 6,35 mm (1/4 Zoll) weichem unlegierten Stahl arbeitet, beträgt ungefähr eine Stunde. Ganz klar entstehen Kosten durch die Austauschteile, die während des Austauschs verlorene Produktionszeit sowie Sicherheitsüberlegungen, die immer dann auftreten, wenn ein Brenner zerlegt und wieder zusammengebaut wird.
Das Kühlen von Düsen mit Gas ist auch bekannt. Üblicherweise erfordert es einen dualen Strom, d. h. einen Primärstrom aus einem Plasmagas und einen Sekundärstrom. Sie können an einem gemeinsamen Einlass oder an separaten Einlässen entstehen. Der Primärstrom muss von einem ionisierbaren Gas gebildet werden; der Sekundärstrom geht durch die Plasmakammer, wo er ionisiert wird, und tritt aus dem Brenner durch seine Düse aus, um einen Plasmadüsenstrom zu bilden. Das Sekundärgas strömt auf der Außenseite der Düse, um eine kalte Schicht aus nicht ionisiertem Gas um den Lichtbogen herum zu bilden. Bei herkömmlichen Brennern sind die Temperatur und die Geschwindigkeit des Primär- oder Plasmagases viel höher als diejenigen des Sekundärgasstromes.
Während die Schneidfähigkeiten des Brenners hauptsächlich eine Funktion des Plasmadüsenstromes sind, kann der Sekundärstrom wichtig sein, den Brenner zu kühlen und eine Schutzgasumgebung an dem Werkstück zu erzeugen. 2A zeigt eine typische Verwendung eines Sekundärgasstromes über die Außenfläche einer Düse in Richtung auf das Werkstück. Diese Anordnung wird für Niedrigstromanwendungen benutzt; Düsen diesen Typs werden von Hypertherm, Inc. als Modell Nr. HT40 0,038 und MAX100 0,059 verkauft. 2B zeigt eine andere Art der Gaskühlung mit einer keramischen Isolierhülse an dem unteren Ende der Düse, um die Düse vor einem Schrumpf gegenüber dem Werkstück zu schützen. Die Keramik ist aber spröde, und diese Anordnung bietet keinen Schutz der Düse während des Durchstoßens.
Das US-Patent Nr. 4 389 559 von Rotolico u. a. und das US-Patent Nr. 4 029 930 von Sagara u. a. sind Beispiele von Plasmabrennern für Unterwasser-Sprüh- bzw. Schweißanwendun gen, wobei eine Hülle aus Sekundärgas die Zone abschirmt, wo der Lichtbogen gegen die ihn umgebende Atmosphäre, sei es Luft oder Wasser, wirkt. Das US-Patent Nr. 4 816 637 von Sanders und Couch offenbart einen Hochstrom-Unterwasserschneidbrenner mit einem einwärts gerichteten radialen Luftstrom bei 0 bis 10 Standardkubikfuß pro Minute in Verbindung mit einem ringförmigen Wassermantel, um eine wasserfreie Schneidzone zu schaffen und Wasserstoffgas wegzufegen, das sich sonst unter dem Werkstück ansammeln würde.
Wie oben festgestellt, ist die Durchstoßfähigkeit eines Plasmabrenners sehr wichtig bei einem Plasmaschneidvorgang. Das vollständig übertragene US-Patent Nr. 4 861 962 von Sanders und Couch offenbart die Verwendung eines metallischen, elektrisch schwebenden Schirmes, der die Düse praktisch vollständig umgibt, um Metallspritzer beim Durchstoßen abzublocken. Ein Sekundärgasstrom zwischen dem Schirm und der Düse kühlt diese Komponenten. Abgeschrägte Öffnungen erzeugen stromaufwärts einen Wirbel in dem Sekundärstrom, um dabei zu helfen, den Lichtbogen zu stabilisieren und die Schnittqualität zu verbessern. Anzapföffnungen in dem Schirm ziehen auch einen Teil des Kühlstromes ab, um einen erhöhten Gesamtstrom für eine bessere Kühlung ohne Destabilisierung des Lichtbogens während des Schneidens zu gestatten. Diese Lösung ist jedoch für scharfzeichnende (manchmal bezeichnet als hochdichte) Brenner, die einen konzentrierten Lichtbogen haben und mehr Kühlung benötigen, als ein Gas liefern kann, geeignet. Der Sekundärstrom ist relativ gering, um die Schnittqualität aufrechtzuerhalten. Das Gas hat die Aufgabe, den Brenner zu kühlen und beim Stabilisieren des Lichtbogens mitzuhelfen.
Bei Zweistrombrennern, wenn das Primärgas Sauerstoff oder Luft ist, ist das Sekundärgas üblicherweise Luft. Wenn das Primärgas Stickstoff ist, ist das Sekundärgas üblicherweise Kohlendioxyd oder Stickstoff. Diese Kombinationen erzeugen einen geeigneten Plasmadüsenstrom ohne einen nicht akzep tablen Grad der Störung des Schnittes durch das Sekundärgas. Bei diesen Sekundärgasen hat die Kerbe gewöhnlich einen positiven Schnittwinkel von 1 bis 2 Grad und Ober- und Unterschlacke. Die Schnittgeschwindigkeit und -qualität sind höher als wenn kein Schirm verwendet werden würde.
Es ist auch bekannt, verschiedene Gase oder Mischungen von Gasen für verschiedene Phasen des Schneidvorgangs zu verwenden. Zum Beispiel offenbart das japanische offengelegte Dokument Nr. 57-68270 von Hitachi Seisakusho K. K. einen Vorstrom aus Argon während einer Zündlichtbogenphase und einen Wechsel auf Wasserstoffgas zum Schneiden gefolgt von einer Rückkehr zu Argon nachdem das Schneiden beendet ist. Die japanische veröffentlichte Ammeldungs-Nr. 61-92782 von Koike Oxygen Industry, Inc. offenbart eine Stickstoff-Sauerstoffmischung als Vorstromplasmagas beim Start, gefolgt von einem Sauerstoffplasmastrom. Beide Ströme sind für das Plasmagas, nicht für ein Sekundärgas. Diese Veröffentlichung lehrt, dass ein Plasma oder ein Primärgasvorstrom von ungefähr 85% Stickstoff, 15% Sauerstoff am besten ist, um die Elektrodenstandzeit zu verlängern. Das US-Patent Nr. 5 017 752 von Severance u. a. offenbart einen Strom aus einem nicht oxidierenden Gas während des Zündlichtbogenbetriebs, der auf einen reinen Sauerstoffstrom umgestellt wird, wenn der Lichtbogen übertritt. Diese Ströme sind wieder nur für das Primärgas. Verschiedene Patente und Publikationen offenbaren auch Muster von Gasstrom- und Zeitsteuerungsüberlegungen. Das US-Patent Nr. 4 195 216 von Beauchamp u. a. offenbart zum Beispiel verschiedene Arten des Betriebs eines Plasmadrahtschweißgeräts derart, dass das Schlüsselloch am Ende der Schweißung durch Einstellen der Drahtzuführgeschwindigkeit in Abstimmung mit Änderungen im Gasstrom und dem Lichtbogenstrom gefüllt wird.
"How Plasma Arc Cutting Gases Affect Productivity" von W. S. Severance und D. G. Anderson, Welding Journal, Febr. 1984, offenbart die Verwendung eines Plasmalichtbogenbrenners, der ein Stickstoff-Plasmagas und ein Schutzgas hat, das Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Luft ist.
Den Anmeldern ist die Verwendung einer Mischung von Gasen als Sekundärgasstrom, um die Schnittgeschwindigkeit und/oder die Schnittqualität einstellbar über eine Änderung der Gasmischung, die das Sekundärgas bildet, zu erhöhen bzw. zu verbessern, nicht bekannt. Insbesondere ist den Anmeldern kein irgendein Sekundärgasstrom bekannt, bei dem eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff verwendet wird, wobei das Verhältnis der Gase in der Mischung entgegengesetzt zu dem von Luft ist. Den Anmeldern ist auch nicht ein scharfzeichnender Plasmalichtbogenbrenner bekannt, der diese Mischung aus Sekundärgasen als Gasschirm verwendet.
Es ist ein Hauptziel der Erfindung, einen Plasmalichtbogenbrenner und ein Betriebsverfahren bereitzustellen, das die Schnittgeschwindigkeit erhöht und eine Kerbe mit verbesserter Schnittqualität erzeugt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den vorgenannten Vorteil für einen scharfzeichnenden Brenner bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung der vorgenannten Vorteile einschließlich eines Schnittes, der eine glatte Seitenfläche, einen guten Schnittwinkel hat und praktisch frei von Tropfenschlacke ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liefert in einem ersten Aspekt die Verwendung einer Plasmalichtbogen-Schneidvorrichtung gemäß Anspruch 1.
Vorzugsweise wird das nicht oxidierende Gas aus der aus Stickstoff und Argon bestehenden Gruppe ausgewählt und wird das oxidierende Gas aus der aus Sauerstoff und Luft bestehenden Gruppe ausgewählt.
Vorzugsweise ist das Verhältnis ungefähr 2:1, oxidierender Gasstrom zu nicht oxidierendem Gasstrom ungefähr.
Vorteilhafterweise sind die Gase handelsrein und im wesentlichen frei von Wasser und Öl.
Das Verhältnis kann eingestellt werden, um einen Kerbenschnittwinkel zu erzeugen, der im großen und ganzen senkrecht zu dem Werkstück mit einer vernachlässigbaren Oberschlackenbildung ist.
Die vorliegende Erfindung liefert in einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Verbessern der Schnittgeschwindigkeit und der Schnittqualität eines Plasmalichtbogenbrenners gemäß Anspruch 6.
Am meisten bevorzugt wird ein Verhältnis von ungefähr 2:1.
Vorzugsweise wird das oxidierende Gas aus der aus Sauerstoff und Luft bestehenden Gruppe ausgewählt, und das nicht oxidierende Gas wird aus der aus Stickstoff und Argon bestehenden Gruppe ausgewählt.
Ein bevorzugter Plasmalichtbogenbrenner hat eine Sekundärgaskappe, die an seinem unteren Ende angebracht ist, wobei eine vordere Außenfläche zwischen einer an dem Brenner angebrachten Düse und dem Werkstück angeordnet ist. Bei der bevorzugten Form eines scharfzeichnenden Brenners ist eine wassergekühlte Kappe zwischen der Düse und der Sekundärgaskappe angebracht, um eine wassergekühlte Kammer neben der äußeren Oberfläche der Düse für eine hochwirksame Kühlung zu bilden. Ein Wirbelring ist zwischen der wassergekühlten Kappe und der Sekundärgaskappe unmittelbar stromaufwärts der ringförmigen Austrittsöffnung angebracht. Er enthält eine Gruppe von schrägverlaufenden Löchern, die einen Wirbel in dem durch ihn gehenden Gas einführen. Eine Vorkammer liegt stromaufwärts des Wirbelringes, gefolgt von einer Strömungsdrosselöffnung, um einen Druckabfall in der Sekundärgaszuführleitung an der wassergekühlten Kappe zu erzeugen. Dieser Druckabfall, die Vorkammer und der stromabwärtige Wirbelring erzeugen die Strömungscharakteristik der vorliegenden Erfindung.
Die Düse ist gekennzeichnet durch einen großen Kopf, der eine Austrittsöffnung für den Plasmadüsenstrahl umgibt, und einen scharfen Einschnitt oder eine Vertiefung zu einem konischen Gehäuseteil. Diese Düsenform fördert das Kühlen der Düse und ermöglicht eine zuverlässige Metall-auf-Metall-Dichtung der Düse an einer wassergekühlten Kappe oder einem gleichwertigen Bauteil. Die Sekundärgaskappe hat einen ersten im großen und ganzen zylindrischen Abschnitt, der auf einem Isolierteil sitzt, einem Übergangsteil, der sich zu dem Plasmastrahl hin neigt, und einen austauschbaren Außenflächenabschnitt, der sich über das untere Ende des Brenners, gegenüber dem Werkstück erstreckt, wobei eine zentrale Öffnung zu der Ausgangsöffnung der Düse ausgerichtet ist und sie eng umgibt. Vorzugsweise hat der Außenflächenabschnitt eine Gruppe von Anzapf/Belüftungsöffnungen, die weg vom Strahl abgewinkelt sind, eine Zentrier- und Befestigungsvertiefung an ihrer äußeren Kante, eine Nut um eine O-Ring-Dichtung zu halten, und eine Zentriernut für den Wirbelring.
Eine für die Gasmischung der vorliegenden Erfindung geeignete Strömungssteuerung enthält ein von einem Mikroprozessor gesteuertes Netzwerk (oder "Schaltung") aus Kanälen, Ventilen, Messvorrichtungen und Lüftungslöchern, die ein Primärgas und ein gemischtes Sekundärgas in verschiedenen Verhältnissen von zwei Gasen mit mehreren vorausgewählten Durchsätzen, z. B. einen Vorstrom und einen Betriebsstrom, bereitstellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform speisen Sauerstoff- und Stickstoffzuführungsleitungen jeweils einen Strömungsmesser, der den Durchsatz unabhängig von dem stromaufwertigen Druck macht. Die Sauerstoffzufuhr strömt zu der Plasmagasleitung und zu einem Sekundärgaskreis. Diese beiden Sauerstoffströmungsleitungen und eine Stickstoffströmungsleitung im Sekundärkreis haben jeweils ein elektromagnetisch betätigtes Strömungsmess-Bypassventil, dem drei parallele Zweige folgen, die jeweils ein weiteres elektromagnetisch betätigtes Ventil und ein Nadelventil haben. Der eine Zweig erzeugt einen Vorstrom. Ein zweiter Zweig schafft einen Betriebsstrom. Der dritte Zweig ermöglicht einen plötzlich erhöhten Gasstrom, um eine "schnelle Ladung" zu erzeugen. Diese schnelle Ladung ist die Folge eines Strömungsweges, der die Strömungsdrosselventile in den anderen Zweigen umgeht.
Die Ausgabe der Sauerstoff- und Stickstoff-Sekundärgasleitungen wird zu einem einzelnen Sekundärspeisekanal zusammengefasst, der zu dem Sekundärgaseinlass an dem Brenner führt. Dieser Speisekanal und die Primär- und Sekundärgasspeiseleitungen, angrenzend an den Brenner, werden zur Atmosphäre hin über ein elektromagnetisch betätigtes Dreiwegeventil entlüftet. Ein kurzzeitiges öffnen der beiden Lüftunglöcher in der Sekundärgasleitung während des Übergangs von einer Zündlichtbogenbetriebsart auf eine Übertragungslichtbogenbetriebsart ermöglicht es dem Sekundärgasstrom, schnell auf seinen Betriebswert zum Schneiden abzufallen. Das öffnen aller drei Luftlöcher beim Abstellen des Plasmalichtbogens schafft ein schnelles Ende der Gasströme zu dem Brenner. Um einen starken Sekundärgasstrom über das gesamte Durchstoßen zu haben, gibt es eine zeitliche Verzögerung zwischen der Überleitung dieses Plasmas zu dem Werkstück und dem Umschalten von dem Vorstrom auf den Betriebsstrom des Sekundärgases.
Diese und andere Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch besser aus der folgenden detaillier ten Beschreibung, die im Lichte der beiliegenden Zeichnungen gelesen werden sollte.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt in einem vertikalen Querschnitt eine vereinfachte Darstellung einer Elektrode und einer mehrteiligen Düse eines Hochstrom-Wassereinspritz-Plasmalichtbogenbrenners des Standes der Technik;
1B zeigt eine 1A entsprechende Ansicht einer alternativen mehrteiligen Wassereinspritzdüse des Standes der Technik;
2A zeigt in einem vertikalen Querschnitt eine vereinfachte Ansicht einer zum Stand der Technik gehörenden einteiligen Düse eines Plasmalichtbogenbrenners zum Gebrauch mit Niedrigströmen;
2B zeigt eine 2A entsprechende Ansicht einer alternativen, zum Stand der Technik gehörenden einteiligen Düsenausführung für eine Niedrigstromanwendung, wobei ein zylindrischer Keramikschirm verwendet wird;
3A zeigt in einem vertikalen Schnitt eine Ansicht eines scharfzeichnenden Wasser- und luftgekühlten Plasmalichtbogenbrenners, die die Plasmagas- und Sekundärgaskanäle zeigt;
3B zeigt in einem vertikalen Schnitt eine Ansicht eines scharfzeichnenden Wasser- und luftgekühlten Plasmabrenners, die die Wasserkühlkanäle zeigt;
3C zeigt in einem vertikalen Schnitt eine detaillierte Ansicht der Düse und des Austrittsöffnungsbereichs des in 3A gezeigten Brenners;
3D zeigt in einem Horizontalschnitt eine Ansicht des in 3A gezeigten Wirbelringes;
4 zeigt eine schematische Strömungssteuerschaltung zum Bereitstellen eines Mischgas-Sekundärgasstromes bei verschiedenen Strömungsdurchsätzen und mit der Fähigkeit zu einer schnellen Aufladung und einer schnellen Entladung; und
5 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm für die in 4 gezeigte Steuerschaltung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die 3A und 3B zeigen einen Plasmalichtbogenbrenner 10, der ein mehrteiliges Gehäuse 12 hat, das einen im großen und ganzen zylindrischen Hauptgehäuseteil 12a, der aus einem Isoliermaterial wie FR4-Glasfaser oder Delrin gebildet ist, einschließt. Ein in dem Gehäuseteil 12a befestigter Anodenblock 14 hat eine Öffnung 14a, die eine Plasmagasleitung 16 und eine Öffnung 14b, die eine Sekundärgasleitung 18 aufnehmen, wobei sowohl die Plasmagasleitung 16 als auch die Sekundärgasleitung 18 durch einen Isolierblock 20 hindurchgehen. Eine Düse 28 ist direkt unterhalb einer Elektrode 24 in einer Abstandsbeziehung angeordnet, um dazwischen eine Plasmalichtbogenkammer 30 zu bilden, in der von einem Wirbelring 32 zugeführtes Plasmagas ionisiert wird, um entweder einen Zündlichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse oder einen übergehenden Lichtbogen oder einen Plasmadüsenstrahl 34 zwischen der Elektrode und einem Werkstück 36 zu bilden. Der Düsenstrahl 34 durchstößt das Werkstück und schneidet dann eine Kerbe 38. Zu beachten ist, dass der Wirbelring 32 aus zwei Stücken 32a und 32b besteht. Radialöffnungen 32c an dem Wirbelringteil 32a verteilen den Plasmagasstrom gleichmäßig auf Einströmöffnungen 32d an dem Wirbelringteil 32b. Die Elektrode 24 hat ein Hafniumeinsatzstück 24a.
Wie gezeigt, hat die Düse eine Konfiguration, die besonders für einen scharfzeichnenden Brenner mit einer engen Austrittsöffnung 28a, einen im Durchmesser großen Düsenkopf 28b, um als eine gute Wärmesenke zu wirken, einer heftigen Zurückschneidung oder Ausnehmung 28c und einem konischen Gehäuseteil 28d geeignet ist. Diese Konstruktion schafft eine gute Wärmeübertragung und daher eine gute Kühlung der Düse durch über die Außenseite der Düse zirkuliertes Wasser. Sie erleichtert auch eine zuverlässige Metall-auf-Metall-Dichtung bei 66a zwischen dem Düsenkopf und einer ähnlich geneigten Endfläche einer wassergekühlten Kappe 66. Die verschiedenen Bauteile werden mit fluiddichten Dichtungen zusammengefügt, die durch eine Gruppe von O-Ringen, die in einer zugehörigen ringförmigen Nut jeweils angeordnet sind, und der Metalldichtung 66a geschaffen werden.
Eine Gasquelle 42 liefert einen Plasmagasstrom durch eine Primärgassteuerschaltung 44a (4) an einen Plasmagaseinlass 10a des Brenners 10. Eine Sekundärgasquelle 46 strömt durch eine Strömungssteuerschaltung 44b zu einem Sekundärgaseinlass 10b des Brenners. Das Sekundärgas bei der gezeigten bevorzugten Form enthält eine Mischung aus Gasen von beiden Quellen, wie näher unten beschrieben wird. In dem Brenner folgt das Plasmagas einem Strömungsweg 48, der einen Rohrkanal 16a, einen vertikalen Kanal 48a, eine Radialöffnung 48b zu dem Wirbelring 32 und dann zu der Plasmakammer 30, wo es ionisiert wird, enthält. Das Sekundärgas folgt einem Strömungsweg 50, der einen Rohrkanal 18a, einen vertikalen Kanal 52, eine Radialöffnung 54, eine Strömungsdrosselöffnung 56, eine Vorkammer 58, einen Sekundärgaswirbelring 60 und eine ringförmige Austrittsöffnung 62 enthält.
Dieser sekundäre Strömungsweg und insbesondere die Öffnung 56, die Vorkammer 58 und der Wirbelring 60 schaffen ein hohes Maß an Strömungsgleichförmigkeit und Kontrolle über die Strömung an einer Stelle, die direkt neben dem überführten Plasmalichtbogen 34 liegt. Der Wirbelring 60 enthält eine Gruppe von außermittigen oder schrägverlaufenden Löchern 64, die eine Wirbelbewegung in die Strömung einbringen, was das Zusammenwirken des Sekundärgasstromes mit dem Düsenstrahl 34 erleichtert und einen nützlichen Effekt auf die Schnittqualität hat. Der Wirbelring ist aus einem Isoliermaterial, wie zum Beispiel einem Hochtemperaturkunststoff, vorzugsweise dem von der I. E. du Pont de Nemours unter der Handelsbezeichnung Vespel verkauften Produkt, gebildet. Wie gezeigt, hat die Austrittsöffnung 62 einen ebenen ringförmigen Abschnitt 62a, einen konischen Abschnitt 62b, der nach unten und radial einwärts gerichtet ist, und einen abschließenden ebenen ringförmigen Abschnitt 62c, der im großen und ganzen parallel zu dem Werkstück 36 ist. Die Öffnungskanäle 62b und 62c spiegeln die äußeren Abmessungen der benachbarten Düsenoberflächen wieder.
Die Vorkammer 58 agiert als eine örtliche Gasversorgung für den Wirbelring 60. Die Strömungsdrosselöffnung 56 erzeugt einen Druckabfall an dem von dem Wirbelring entgegengesetzten Ende der Vorkammer 58. Die Öffnung 56 und die Vorkammer 58 schützen den Wirbelring vor stromaufwärtigen Druck- und Durchsatzschwankungen. Um eine elektrische Analogie zu ziehen, agieren die Öffnung 56 und die Vorkammer 58 als Abgleichkondensator in einer Wechselstromschaltung. Beim Abstellen, wenn der Lichtbogenstrom abgestellt ist, kühlt das Gas in der Plasmakammer schnell ab, was zu einem plötzlichen Ausströmen von Gas führt. Ansonsten würde Gas in dem Sekundärströmungsweg bei diesem Ausströmen durch den Venturi-Effekt herausgesaugt werden. Die Öffnung 56 drosselt aber das rasche Ausströmen, so dass nur eine verhältnismäßig kleine Gasmenge in der Kammer 58 herausgesaugt wird. Diese Menge ist berechnet, um die Lichtbogenstabilisierung des Sekundärgases während des Abstellens fortzusetzen, aber so, dass der Sekundärgasstrom im allgemeinen gleichzeitig mit dem Auslöschen des Lichtbogens aufhört. Diese Anordnung schafft einen Sekundärstrom aus der Austrittsöffnung 62, der sehr gleichförmig ist sowohl zeitlich als auch räumlich.
Bei dem scharfzeichnenden Brenner der 3A bis 3D ist der Lichtbogen stark eingeengt im Vergleich zu herkömmlichen Plasmalichtbogen. Er hat auch eine hohe Energiedichte. Bei einem standardmäßigen Plasmaschneidbrenner beträgt die Stromdichte ungefähr 3,88 × 10⁷ A/m² (25.000 Amp/Quadratzoll); bei einem hochdichten Plasma können die Stromdichten bestimmt 1,24 × 10⁸ Amp/m² (80.000 Amp/Quadratzoll), gemessen an der Düsenbasis, sein. Ein 15-Ampere-Strom ist typisch. Eine Wasserkühlung wurde als notwendig erachtet. Zu diesem Zweck wird die wassergekühlte Kappe 66 in das untere Ende des Anodenblocks 14 eingeschraubt, mit einer O-Ring-Dichtung bei 68 und der flächenstoßenden Metall-auf-Metall-Dichtung 66a bis zu der Oberkante des Düsenkopfes 28b. Ein Wasserstrom 45a wird durch eine Wasserkammer 70 hindurchgeleitet, die von der Kappe 66, der Außenfläche der Düse 28 und dem unteren Ende des Anodenblocks 14 gebildet wird. Das Kühlwasser 45 strömt in den Brenner durch den Kanal 47, der das Wassereinlassrohr 17 enthält, das in die Öffnung 15a in dem Kathodenblock 15 eingepasst ist. Wasser strömt aus dem Rohrauslass 47a durch den Ring 47b, Radiallöcher 47c in dem Kathodenblock 15 und dem Isolator 13, dem Ring 47d, die radiale Öffnung 47e, de Ring 47f zu den Bohrlöchern 47g. Hier spaltet sich der Strom in die beiden Ströme 45a zu der Düse und 45b zu der Sekundärkappe über den vertikalen Kanal 47h bzw. den Ring 47i. Der Strom 45a kehrt zu der Kammer 70 über den vertikalen Kanal 47j zurück, der sich mit dem zurücklaufenden Strom 45b an dem Loch 47k vereinigt, strömt dann aus dem Brenner durch die Rohrleitung 19 aus, die an dem Düsenblock 14 an der Öffnung 14c befestigt ist.
Eine Sekundärgaskappe 72 ist bei 74 an das Isoliergehäuse geschraubt und durch O-Ringe 40c und 40d gegenüber dem Gehäuse gasdicht gemacht. Die Sekundärgaskappe hat einen ersten Abschnitt, der ein zylindrisches Gehäuse 72a enthält, das in einem konischen Wandabschnitt 72b mit einer Stufe 72c in seiner Seitenwand endet. Ein zweiter oder Außenflächenabschnitt 72d enthält eine Stufe 72e, die mit der Stufe 72c zusammenpasst, eine Nut 72f, die einen O-Ring 40e enthält, Lüftungsöffnungen 72g, eine Aussparung 72h, die den Wirbelring 60 an seiner Unterkante hält und zentriert, eine Austrittsöffnung 72i, die an der Düsenaustrittsöffnung zentriert ist und einen geringen Abstand um den Plasmadüsenstrahl herum hat, und Wandabschnitte 72j, 72k und 721, die die Düse in einer parallelen Abstandsbeziehung spiegeln und zusammen mit der Düse die Austrittsöffnung 72i bilden.
Die Kappe 72 ist in einer parallelen Abstandsbeziehung zu der Kappe 66, wobei der Abstand zwischen ihnen die Vorkammer 58 bildet. Die Sekundärgaskammer bildet nicht nur den Sekundärströmungsweg, sie wirkt auch als mechanische Abschirmung gegen Metallspritzer während des Durchstoßens. Der untere Teil der Kappe, insbesondere das Außenflächenstück 72d erfasst jegliches geschmolzenes Metall, das nach oben spritzt und das dicht von dem Gasschirm der vorliegenden Erfindung weggefegt worden ist, das ist ein starker Schutzstrom aus Sekundärgas, der auf den Plasmadüsenstrahl auftrifft und abgelenkt wird, um radial nach außen zwischen der Kappe 72 und dem Werkstück wegzuströmen. Es ist zu beachten, dass die zentrale Austrittsöffnung 72i einen sehr kleinen Durchmesser hat, um den Plasmadüsenstrahl 34 mit einem kleinstmöglichen Abstand eng zu umgeben, ohne ein Aushöhlen zu riskieren. Die Abschirmung ist auch elektrisch schwebend. Sie ist auf einem Isoliermaterial, dem Gehäuseteil 12a angebracht und von benachbarten Metallteilen beabstandet, die die Düse 28 und die wassergekühlte Kappe 66, und der Wirbelring 60 ist aus einem Isoliermaterial gebildet. Daraus ergibt sich, dass, wenn sich geschmolzenes Metall daran festsetzen sollte, wird es nicht zu einem Teil eines leitenden Pfades für eine Doppellichtbogenbildung. Die Lüftungslöcher 72g sind im Kreis um die Austrittsöffnung 72i herum angeordnet. Sie sind so bemessen und in der Anzahl so gewählt, dass sie während des Schneidvorgangs des Brenners eine ausreichende Menge des Sekundärstromes zur Atmosphäre hin umlenken oder ausströmen lassen, so dass der den Plasmadüsenstrahl erreichende Strom sich nicht nachteilig auf dessen Wirkungsweise auswirkt. Zu diesem Zweck sind die Öffnungen schräg von dem Plasmadüsenstrahl weg verlaufend unter einem kleinen spitzen Winkel angeordnet, wie gezeigt. Andererseits bewirkt ein sehr hoher Durchsatz beim Start und während des Durchstoßens, dass der Sekundärgasstrom an den Lüftungslöchern 72g vorbeibläst, wobei nur eine kleine Umlenkung des Stromes durch sie hindurch zu der Atmosphäre hin erfolgt. Beim Abstellen, wenn der Sekundärgasdruck in dem Weg 50 und der Vorkammer 58 abfällt, bilden die Lüftungslöcher 72g einen Entlüftungsweg zu der Atmosphäre hin, um einen schnellen Abfall des Sekundärgasdruckes zu unterstützen. Es ist zu beachten, dass aufgrund der Tatsache, dass das Außenflächenstück 72d ein separates Bauteil des Brenners ist, es ersetzt werden kann, ohne die gesamte Kappe 72 ersetzen zu müssen, wenn es abgenutzt oder beschädigt wird.
Nur zur Erläuterung aber nicht zur Beschränkung: Ein Brenner 10, der eine Nennleistung von 15 Ampere hat, hat einen Gesamtdurchmesser von ungefähr 38,1 mm (1,5 Zoll), die Austrittsöffnung 72i hat einen Durchmesser von ungefähr 1,52 mm (0,060 Zoll), ein Wirbelring 60 hat einen Innendurchmesser von 7,62 mm (0,300 Zoll) und einen Außendurchmesser von 10,16 mm (0,400 Zoll) und sechs in gleichen Winkelabständen angeordnete außermittige Löcher 64 mit einem Durchmesser von 0,41 mm (0,016 Zoll). Die Strömungsdrosselöffnung 56 hat einen Durchmesser von 0,76 mm (0,030 Zoll) und die Vorkammer 58 hat ein inneres Volumen von ungefähr 3,23 mm (0,500 Quadratzoll). Die Austrittsöffnung hat einen radialen Strömungsweg von dem Wirbelring 60 zu dem Außendurchmesser der Austrittsöffnung 72i von ungefähr 0,20 mm (0,008 Zoll). Die Lüftungslöcher 72g sind zwölf in der Zahl und haben einen Durchmesser von 4,06 mm (0,16 Zoll).
Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die Verwendung eines Sekundärgases, das eine Mischung aus einem nicht-oxidierenden Gas – wie Stickstoff, Argon, Helium oder irgendein anderes Inertgas – und einem oxidierenden Gas, wie Sauerstoff oder Luft ist, wobei das oxidierende Gas mindestens 40% der Mischung umfasst, gemessen an den Durchsätzen. Bei der bevorzugten Form mit Sauerstoff als Plasmagas ist das Sekundärgas aus einer Mischung von Sauerstoff und Stickstoff (Argon) gebildet, wobei ihre jeweiligen Durchsätze in einem Verhältnis im Bereich von ungefähr 2:3 bis ungefähr 9:1 und vorzugsweise 2:1 sind. Das bevorzugte 2:1-Verhältnis ist fast genau entgegengesetzt zu dem Verhältnis dieser Gase, die Luft bilden. Die Gase sind handelsrein und im wesentlichen frei von Wasser und Öl. Wenn die Gase in diesem Verhältnis als Schutzgas verwendet werden, wie oben mit Bezug auf die 3A, 3B, 3C und 3D beschrieben wurde, ist festgestellt worden, dass die Schnittgeschwindigkeit des Brenners bei weichem unlegierten Stahl dramatisch zunimmt. Außerdem ändert sich der Schnittwinkel von 1° bis 2° positiv mit einem Luftschirm auf ungefähr 100° oder im großen und ganzen senkrecht zu dem Werkstück. Ferner kann die Oberschlackenbildung bis zu einem Punkt eingeschränkt werden, wo sie vernachlässigbar ist.
Das genaue Strömungsverhältnis der Sauerstoff- und Stickstoffströme, die das Sekundärgas bilden, kann empirisch durch Schneiden mit dem Brenner und Einstellen der Ströme bis der Schnittwinkel oder ein anderer Schnittparameter oder Parameter optimiert sind, bestimmt werden. Bei der Vornahme dieser Einstellungen ist festgestellt worden, dass eine Erhöhung des Sauerstoffstromes die Schnittgeschwindigkeit erhöht (bis zu drei Mal der Geschwindigkeit einer herkömmlichen Schnittgeschwindigkeit ohne Gasabschirmung). Es bewirkt auch, dass der Schnittwinkel sehr negativ wird, bis zu 4° bis 5° für einen reinen Sauerstoffstrom. Auch die Schnittfläche wird zunehmend rauer und zeigt ein Zick-Zack-Muster. Die Ursache für diese Wirkungen ist nicht ganz klar, aber es wird angenommen, dass eine sauerstoffreiche Umgebung, die den Plasmadüsenstrahl umgibt, zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Metall und dem Sauerstoff beiträgt, die Wärmeenergie freigibt, die zum Schmelzen des Metalls beiträgt. Den Schnittwinkel kann man auch als eine Auswirkung des Sauerstoff-Sekundärstromes auf die Form des Plasmadüsenstrahles 34 sehen.
Andererseits scheint eine Erhöhung des Stickstoffstromes die Schnittgeschwindigkeit nur insoweit zu beeinflussen, als eine Erhöhung auf Kosten des Durchsatzes des Sauerstoffstromes geht. Ein reiner Stickstoffstrom ist gekennzeichnet durch einen Schnittwinkel, der 2° bis 3° positiv beträgt, eine glatte Schnittfläche und eine leichte Zunahme der Schlackenbildung, verglichen mit dem Schneiden ohne Schutzgas. Es wurde festgestellt, dass man durch Ändern des Sauerstoff-Stickstoff-Mischungsverhältnisses und des gesamten Sekundärgasstromes den Schnittwinkel von ungefähr positiv 3° bis negativ 3° ändern kann. Eine Zunahme des Sauerstoffs in der Mischung und eine Zunahme im Gesamtstrom macht den Schnittwinkel negativer. Somit kann der Schnittwinkel auf einen gewünschten Wert einfach durch Ändern der Sekundärgasmischung eingestellt werden, anstatt die Geometrie des Brenners zu ändern, wie es in der Vergangenheit der Fall war. Ferner, wenn der Schnittwinkel auf Null oder einem negativen Wert gehalten wird, wird die Oberschlackenbildung praktisch eliminiert.
Die sauerstoffreiche Sekundärgasmischung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbessert auch die Durchstoßfähigkeiten des Brenners 10. Ein durchgestoßenes Loch, das mit einem sauerstoffreichen Sekundärgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemacht wurde, ist sauberer und kann größere Blechdicken durchdringen als identische Brenner, die mit unterschiedlichen Mischungen wie Luft arbeiten.
4 zeigt die Gasstromsteuerschaltung 44, die den Plasmastrom und den Sekundärgasstrom von den Quellen 42 bzw. 46 zu den Einlässen 10a bzw. 10b des Brenners 10 steuert. Das Plasmagas, das zum Zwecke der Diskussion Sauerstoff sein soll, strömt von der Quelle 42 durch ein Stickstoff/Sauerstoff-Elektromagnet-Wahlventil SV15 (normalerweise in der Sauerstoffwahlstellung). Es wird dann in einem Plasmagasstrom entlang der Leitung 76 und einen Sekundärgasstrom (Sauerstoffteil) entlang der Leitung 78 zu der Sauerstoffspeiseleitung 86 in dem Sekundärgasabschnitt 44b der Steuerung 44 geteilt. Die Sekundärgasquelle 46 speist eine Leitung 82, die eine Zweigleitung 84 zu dem Schalter SV15 für den Fall hat, dass Stickstoff als Plasmagas gewünscht wird. Die Druckschalter PS1 und PS2 in den Leitungen 76 und 82 lassen das Plasmaschneidsystem nicht arbeiten, wenn der Druck unter einen voreingestellten Wert fällt.
Wie gezeigt, werden bei Verwendung von Sauerstoff als das Plasmagas und einer Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff als das Sekundärgas drei Speiseleitungen 76, 78 und 82 verwendet. Jede hat einen Durchflussmesser FM1, FM2 bzw. FM3 und einen Druckmesser PG1, PG2, PG3, die mit dem Durchflussmesser in Reihe geschaltet sind. Die Durchflussmesser stellen eine genaue Einstellung der Durchsätze sowohl des Plasmagasstromes als auch des Schutzgasstromes sicher. Drei elektromagnetische Bypassventile SV8, SV9 und SV10 sind zu den drei Durchflussmessern jeweils parallel geschaltet. Diese Ventile sind Dreiwegeventile, die normalerweise zu der Bypassleitung offen sind. Dies dient dazu, die Durchflussmesser während der Stoßzeiten zu schützen, und während eines stetigen Zustandes sind die drei Ventile geschlossen, um eine Durchflussmessung zu gestatten.
Drei normalerweise geschlossene Elektromagnetventile sind parallel zueinander an der stromabwärtigen Seite des Durchflussmessers für jede Leitung 76, 78 und 82 geschaltet. Auf jedes Magnetventil folgt ein Nadelventil. Jede Gruppe dieser Magnetventile hat eines, das den Vorstrom steuert, ein Ventil, das den Betriebsstrom steuert, und ein drittes Ventil, das für eine schnelle Aufladung sorgt. Für die Sauerstoffplasmaleitung 76 ist das Vorstromventil SV2, das Betriebsventil ist SV1 und das Schnellaufladungsventil ist SV3. Die zugehörigen Nadelventile sind MV2, MV1 bzw. MV3. Für die Sauerstoffsekundärgasleitung sind diese drei Elektromagnetventile SV5, SV4 und SV16, auf die Nadelventile MV5, MV4 bzw. MV8 folgen. Für die Stickstoffsekundärgasleitung sind diese Elektromagnetventile SV7, SV6 und SV17, auf die die zugehörigen Nadelventile MV7, MV6 bzw. MV9 folgen. Die Ausgänge der Ventile SV4, SV5, SV6, SV7, SV16 und SV17 werden zu einer einzelnen Sekundärgasleitung 86 zusammengefasst, die mit dem Sekundärgaseinlass 10b an dem Brenner verbunden ist. Der Ausgang der Sauerstoff- und Stickstoffsekundärgasleitungen werden daher zu einem einzelnen Strom zu dem Brenner zusammengefasst.
Die Gassteuerschaltung 44 enthält auch vier Dreiwegeventile, die normalerweise jeweils zur Atmosphäre hin offen sind. Sie sind auch elektrisch betätigte Magnetventile. Das Entlüftungsventil SV11 ist mit der Sauerstoffplasmagasleitung an einer Gaskonsole 88 verbunden, in der die Gassteuerschaltung 44 untergebracht ist. Ein ähnliches Entlüftungsventil SV13 ist auch in die Leitung 80 geschaltet, aber an dem Brenner. Dieses Ventil hat eine Strömungsdrosselöffnung CO1 in dem zur Atmosphäre führenden Entlüftungsgang. Es steuert den Zerfall des Plasmagasdruckes in der Düse beim Abstellen. Es ist so eingestellt, dass der Gasdruck den Lichtbogen aufrechterhält, während der Strom eingeschaltet ist, aber es lässt den Plasmagasdruck rasch verschwinden, wenn der Strom abgestellt wird. In der Sekundärgasspeiseleitung 86 ist ein Entlüftungsventil SV12 mit der Leitung an der Konsole 88 verbunden, und ein ähnliches Ventil SV14 ist in die Leitung an dem Brenner geschaltet. Die Gasschaltung 44 hat auch Druckmessgeräte PG4 und PG5, die an der Konsole 88 mit den zusammengefassten Ausgängen der Vorstrom-Betriebsstrom- und Schnellentladungsventilen verbunden sind. PG4 liest den Sauerstoffplasmadruck an der Leitung 80 ab, PG5 liest den Sekundärgasdruck an der Leitung 86 ab.
Während des Durchstoßens sind die Vorstromventile geöffnet, wobei die Betriebsventile und das Schnellladungsventil während des größten Teiles des Vorstromes geschlossen sind. In dieser Situation steuern die Nadelventile MV5 und MV7 das Mischverhältnis des Sauerstoff- und Stickstoffstromes, die das Sekundärgas bilden. Wie oben diskutiert, wird dieses Verhältnis vorzugsweise auf ungefähr 2:1 eingestellt, aber Veränderungen können gemacht werden, um den Strom für die gegebenen Betriebsbedingungen zu optimieren und um verschiedene Schnittparameter zu optimieren. Auch wird der Vorstrom durch die Ventile SV5, MV5, SV7 und MV7 auf einen Durchsatz eingestellt, der ein Vielfaches größer als der Betriebsstromdurchsatz ist, der von den Ventilen SV4, MV4, SV6, MV6 eingestellt wurde. Ein typischer Wert für den gesamten Sekundärgas-Vorstrom ist 1,2 × 10⁴ m³/s (120 Standardkubikfuß/h) und 0,2 × 10⁴ m³/s (20 Standardkubikfuß/h für den Betriebsstrom. Geeignete Dreiwege-Elektromagnetventile werden hergestellt von der Automatic Switch Company unter der Modell-Nr. AFP33183 oder von MAC Valves Inc. unter der Modell-Nr. 111B-111BAAA. Diese Ventile werden alle von einem zentralen Mikroprozessor 90 gesteuert, der so programmiert ist, dass er die Gassteuerschaltung 44 auf eine Art und Weise betreibt, wie sie durch das Zeitsteuerdiagramm der 5 dargestellt ist.
5 zeigt den Betriebszustand aller Ventile in der Schaltung 44 während eines vollen Betriebszyklus des Brenners 10, von t₀, wenn ein Startsignal an das System von einer Bedienungsperson gegeben wird, bis zu einem vollständigen Ab stellen des Lichtbogenstromes und der Gasströme am Ende von t₆. 5 zeigt auch den entsprechenden Lichtbogenstrom, die Spannung und die Gasdrücke an der Düse (in der Plasmalichtbogenkammer) und den Sekundärschutzgasdruck, der an der Vorkammer 58 zwischen den Kappen 66 und 72 gemessen wird.
Sobald der Startbefehl gegeben ist, werden die drei Vorstromelektromagnetventile SV2, SV5 und SV7 angesteuert, dass sie sich öffnen. Die vier Entlüftungsventile SV11, SV12, SV13 und SV14 werden eingestellt, um in die Schließstellung zu gehen (sie sind normalerweise offen). Die drei Schnellaufladungsventile SV3, SV16 und SV17 werden auch zu der gleichen Zeit angesteuert. Die Schnellaufladungsventile bringen die Düsen- und Schutzgasdrücke auf ihre vollen Vorstromwerte in der Zeit t₁ für das Plasmagas und in der Zeit t₂ für das Schutzgas. Die Schnellaufladungsventile arbeiten so, dass die Leitungen 80 und 86 schnell aufgeladen werden, weil sie den Strömen erlauben, die Strömungsdrosselstelle in den Vorstrom- und Betriebsstromzweigen zu umgehen. Sie gestatten eine plötzliche Stufenfunktionszunahme in dem Strom. Der Vorstrom setzt sich fort, bis eine Gesamtzeit von 1 bis 2 Sekunden verstrichen ist, lang genug, um die Vorströme zu stabilisieren. Wie in 5 gezeigt, werden Hochspannungsspitzen 91 bei einer hohen Frequenz an den Brenner nach ungefähr 1 Sekunde Vorstrom angelegt, um einen Zündlichtbogen, der bei 92 gezeigt ist, zu initiieren. Wenn der Zusammenbruch des Zündlichtbogens auftritt, fällt die Spannung.
Bei der Überleitung des Lichtbogens auf das Werkstück wird der Strom, wie bei 94 gezeigt, auf seine Betriebshöhe 96 am Ende der Überleitung linear angehoben. Die Spannung fällt bei der Überleitung ab und der Gasdruck erhöht sich, wenn das Plasmagas in dem Brenner an der Düse auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wird, und der Gasstrom wird an der Düsenöffnung 28a gedrosselt. Während des Übergangs tritt das Durchstoßen auf. Um den Hochgeschwindigkeitsgasschirm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu schaffen, wird der große Sekundärgasvorstrom für ungefähr 60 ms nach dem Beginn des Übergangs aufrechterhalten. Dieser Sekundärgasstrom mit einem hohen Durchsatz bläst das gesamte geschmolzene Metall weg, das auf den Brenner nach oben geschleudert wurde, bevor es den Brenner selbst erreichen kann. Der Strom umgibt den Plasmadüsenstrahl und ist radial nach innen gerichtet. Er wirkt mit dem Düsenstrahl zusammen, aber das meiste des Stromes dreht sich und fließt radial von dem Düsenstrahl weg und fällt nach außen und darunter in den Bereich zwischen das Werkstück und dem unteren Ende des Brenners. Es schafft eine sich bewegende Kühlgasgrenze zwischen der Kappe 72 und dem Werkstück. Dieser starke Strom besteht während des Durchstoßens, wird aber während des normalen Schneidens erheblich reduziert. Während des Schneidens schützt die mechanische Abschirmung der Kappe 72 die Düse vor einer Doppellichtbogenbildung.
Nach ungefähr 50 ms nach dem Beginn des Übergangs des Plasmagases wird das Schnellaufladungsventil SV3 während einer Zeit t₂ wieder geöffnet, um den Plasmagasstrom schnell auf seinen vollen Betriebswert zu bringen. Nach 50 ms nach dem Beginn des Übergangs öffnen sich auch die Betriebsstromventile sowohl für das Plasma- als auch für das Schutzgas SV1, SV4, SV6. Nach einer Zeit t₃ nach dem Übergang werden die beiden. Schutzleitungsentlüftungsventile SV12 und SV14 während einer Zeit t₄, wie gezeigt, kurz geöffnet, um beizutragen, dass der Druck in der Sekundärleitung auf ein Niveau abfällt, das mit einem viel geringeren Betriebsstrom übereinstimmt. Dies ist die Sekundärgasschnellentladung. Die Ventile bleiben in diesen Betriebsstellungen während des Betriebs, außer dass die drei Strömungsmessbypassventile nach ungefähr 300 ms nach dem Beginn des Übergangs angesteuert werden. Dies ist, nachdem die Ströme ihre Stationärzustandswerte erreichen. Um den Betrieb des Brenners zu beenden, schaltet ein STOP-Befehl (i) die drei Betriebsventile SV1, SV4 und SV6 ab und schließt sie, (ii) schaltet die vier Entlüftungsventile ab, so dass sie sich zur Atmosphäre öffnen und, um dadurch eine schnelle Entladung der Plasma- und Sekundärgase zu erleichtern, und (iii) schaltet die Strömungsmessbypassventile ab. Ab dem STOP-Befehl bis zum Ende von t₆ wird der Lichtbogenstrom linear nach unten gefahren. Am Ende von t₆ wird er vollständig abgestellt. Es gibt einen kleinen Restdruck an der Düse, aber er verschwindet sehr schnell, so dass es dort praktisch keinen starken Wirbelgasstrom in der Plasmakammer bei der Stromabschaltung, am Ende von t₆ gibt. Dieser Zustand wurde als besonders förderlich zum Verringern der Elektrodenabnutzung festgestellt.
Die Erfindung schafft bei einer Ausführungsform einen sauerstoffreichen Sekundärgasstrom für den Vorstrom beim Durchstoßen und dem Betriebsstrom, der einen erheblich schnelleren und qualitativ besseren Schnitt als er bisher mit abgeschirmten Brennern oder scharfzeichnenden Brennern erzielbar war, erzeugt.
Während diese Erfindung in bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht sich, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen sich den Fachleuten aus der vorhergehenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ergeben.

Claims

Verwendung einer Plasmalichtbogen-Schneidvorrichtung, die einen Plasmalichtbogenbrenner (10) enthält, der ein Gehäuse (12), eine Elektrode (24) und eine Düse (28) hat, die an einem ersten Ende des Gehäuses (12) in einem gegenseitigen Abstandsverhältnis angebracht sind, das eine Plasmakammer (30) begrenzt, und eine erste Gasquelle (42) liefert ein erstes Gas an einen Plasmagas-Strömungsweg (48) in dem Gehäuse (12), der ein erstes Gas von einem Plasmagaseinlass (10a) zu der Plasmakammer (30) leitet, eine zweite Gasquelle (46) liefert ein zweites Gas an einen Sekundärgas-Strömungsweg (50) in dem Gehäuse (12), der ein Sekundärgas von einem Sekundärgaseinlass (10b) zu einer Ausgangsöffnung (62) leitet, wobei das Sekundärgas ein Schutzgas um das Plasmagas herum bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasquelle (42) das erste Gas auch an den Sekundärgas-Strömungsweg (50) liefert, derart, dass, das Sekundärgas eine Mischung aus dem ersten Gas und dem zweiten Gas ist, wobei das erste Gas oder das zweite Gas ein nicht oxidierendes Gas ist und das jeweils andere Gas ein oxidierendes Gas ist, wobei die Mischung mindestens 40% oxidierendes Gas, gemessen am Durchsatz, ist und wobei das Durchsatzverhältnis des oxidierenden Gases und des nicht oxidierenden Gases im Bereich 2:3 bis 9:1 ist.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das nicht oxidierende Gas aus der aus Stickstoff und Argon bestehenden Gruppe ausgewählt wird und das oxidierende Gas aus der aus Sauerstoff und Luft bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis ungefähr 2:1, oxidierender Gasstrom zu nicht oxidierendem Gasstrom ist.
Verwendung der Vorrichtung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gase handelsrein und im Wesentlichen frei von Wasser und Öl sind.
Verwendung der Vorrichtung gemäß irgend einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verhältnis eingestellt wird, um einen Kerbenschnittwinkel zu erzeugen, der im großen und ganzen senkrecht zu dem Werkstück (36) mit einer vernachlässigbaren Oberschlackenbildung ist.
Verfahren zum Verbessern der Schnittgeschwindigkeit und der Schnittqualität eines Plasmalichtbogenbrenners (10), der ein Metallwerkstück (36) bearbeitet, wobei der Brenner (10) einen Plasmagasstrom, der einen Plasmastrahl bildet, wobei das Plasmagas ein erstes Gas von einer ersten Gasquelle ist, und einen Sekundärgasstrom hat, der eine Abschirmung um das Plasmagas herum bildet, wobei das Verfahren umfasst: Liefern eines zweiten Gases von einer zweiten Gasquelle an den Sekundärgasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärgasstrom aus einer Mischung aus dem ersten Gas von der ersten Gasquelle und dem zweiten Gas gebildet wird, wobei das erste Gas oder das zweite Gas ein oxidierendes Gas und das jeweils andere Gas ein nicht oxidierendes Gas ist, derart, dass der Sekundärgasstrom eine Mischung aus oxidierendem Gas und nicht oxidierendem Gas ist, wobei das oxidierende Gas mindestens 40% des Stromes, gemessen am Durchsatz umfasst und wobei das Durchsatzverhältnis des oxidierenden und nicht oxidierenden Gases im Bereich von 2:3 bis 9:1 ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das oxidierende Gas aus der aus Sauerstoff und Luft bestehenden Gruppe ausgewählt wird, das nicht oxidierende Gas aus der aus Stickstoff und Argon bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verhältnis ungefähr 2:1 ist.