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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Plasmalichtbogenschneid-
und -schweißvorrichtung. Insbesondere
betrifft sie die Verwendung eines Schildelements mit einem austauschbaren
Außenseitenteil,
das sich über
das untere Ende des Brenners erstreckt und das ohne die Notwendigkeit
des Entfernens des gesamten Schilds entfernt und ausgetauscht werden
kann.
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Plasmalichtbogenbrenner
besitzen eine große
Vielzahl von Anwendungen, wie das Schneiden von dicken Stahlplatten
und das Schneiden von vergleichsweise dünnen Blechen aus galvanisiertem Metall,
die allgemein bei Heiz-, Lüftungs-
und Klimaanlagen-(HVAC-)Systemen verwendet werden. Die Grundkomponenten
eines Plasmalichtbogenbrenners umfassen einen Brennerkörper, eine
Elektrode (Kathode), die innerhalb des Körpers angebracht ist, eine
Düse (Anode)
mit einer zentralen Austrittsöffnung,
einen Strom eines ionisierbaren Gases, elektrische Anschlüsse, Kanäle für Kühl- und
Lichtbogensteuerfluida und eine Stromversorgung, die einen Zündlichtbogen
in dem Gas, typischerweise zwischen der Elektrode und der Düse, und
dann einen Plasmalichtbogen, einen leitfähigen Strom des ionisierten
Gases von der Elektrode zu einem Werkstück, erzeugt. Das Gas kann nichtoxidierend,
z. B. Stickstoff, Argon/Wasserstoff oder Argon, oder oxidierend
sein, z. B. Sauerstoff oder Luft.
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Verschiedene
Plasmalichtbogenbrenner dieses allgemeinen Typs sind in den
US-Patenten Nr. 3,641,304 ,
erteilt an Couch und Dean,
3,833,787 ,
erteilt an Couch,
4,203,022 ,
erteilt an Couch und Bailey,
4,421,970 ,
erteilt an Couch,
4,791,269 ,
erteilt an Sanders und Couch, und
4,816,637 ,
erteilt an Sanders und Couch, beschrieben, die alle allgemein zusammen
mit der vorliegenden Anmeldung abgetreten sind. Plasmalicht bogenbrenner
und verwandte Produkte werden in einer Vielzahl von Modellen von
Hypertherm, Inc., Hanover, New Hampshire, verkauft. Der Brenner
der Marke MAX 100 von Hypertherm ist für die Brenner mit mittlerer
Leistung (100 Amp. Ausgang) unter Verwendung von Luft als Arbeitsgas
typisch und ist sowohl für
die Plattenherstellung als auch HVAC-Anwendungen brauchbar. Der
Brenner der Marke HT 400 ist für
Hochleistungsbrenner (260 Amp.) typisch, die oft Sauerstoff als
Arbeitsgas verwenden. Hochleistungsbrenner werden typischerweise
mit Wasser gekühlt
und verwendet, um dicke Metallplatten, z. B. 2,54 cm (1 Zoll) dicke
Platten aus Flussstahl, zu durchstoßen und zu schneiden.
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Konstruktionserwägungen bei
diesen Brennern umfassen das Kühlen
des Brenners, da der Lichtbogen Temperaturen von mehr als 10.000°C erzeugt,
die, wenn sie nicht kalt gesteuert werden, den Brenner, insbesondere
die Düse,
zerstören.
Eine weitere Erwägung
ist, dass der Lichtbogen gesteuert werden muss, sowohl um den Brenner
selbst gegenüber
dem Lichtbogen zu schützen
als auch um die Qualität
des Schnitts, der in einem Werkstück durchgeführt wird, zu erhöhen. Eine
frühere
Erfindung von einem der vorliegenden Anmelder, die in dem
US-Patent Nr. 3,641,308 beschrieben
ist, umfasste die Verwendung eines Stroms von Kühlwasser in der Düse eines
Brenners, um den Lichtbogen einzuschnüren und dadurch einen Schnitt
besserer Qualität
zu erzeugen. Es wurde auch gefunden, dass die Schnittqualität sehr verbessert
werden kann, wenn das Plasma dazu gebracht wird, zu wirbeln wie
durch dessen Zuführen
zu der Plasmakammer durch einen Wirbelring mit einem Satz von exzentrischen
Löchern.
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Bei
dem Schneiden von Teilen aus Metallplatten, beginnt ein Schnitt
oft durch das Durchstoßen
der Platte an einem inneren Punkt. Da das Metall nicht durchgeschnitten
wird, wenn das Durchstoßen beginnt,
kann das geschmolzene Metall nicht unter der Schwerkraft aus dem
Kerbschnitt laufen. Es wird deshalb nach oben auf den Brenner gespritzt.
Dies ist uner wünscht,
weil das Metall den Lichtbogen destabilisieren kann, und bewirkt,
dass er die Düse
aushöhlt,
und es kann an der Düse
anhaften, was oft zu einer Doppellichtbogenbildung führt, bei
dem der Plasmalichtbogen von der Elektrode zur Düse fließt und dann über den
Leitungspfad des geschmolzenen Metalls zu dem Werkstück. Sowohl
das Aushöhlen als
auch die Doppellichtbogenbildung verringern die Standzeit der Düse oder
zerstören
sie. Es ist auch wichtig, dass der sich ergebende Schnitt glatt
und so frei von Schlacke wie möglich
ist und einen Schnittwinkel aufweist, der vorzugsweise bei oder
nahe 0° liegt,
d. h. dass die ”gute” Seite
des Kerbschnitts eine Oberfläche
aufweist, die rechtwinklig zu der Metallplatte selbst ist.
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In
der Vergangenheit bestand zur Bekämpfung des Aushöhlens und
der Doppellichtbogenbildung aufgrund von verspritztem Metall die
Lösung
für Hochstrombrenner
(200 Amp. und mehr) in der Verwendung einer mehrteiligen Düse mit Wassereinspritzkühlung. Typische
derartige Düsen,
die von Hypertherm, Inc. vertrieben werden, sind in schematischer
Form in 1A und 1B dargestellt.
Die Hypertherm Modelle Nr. HT400 0.099, HT400 0.166 und PACT500
0.187 entsprechen 1A und verwenden eine mit Wasser
gekühlte
keramische Düsenaußenseite. 2B zeigt
eine Abwandlung dieser Konstruktion, die von Hypertherm, Inc. als
Modell PAC500 0.250 vertrieben wird.
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Für einen
Niederstrombetrieb, 0 bis 200 Ampère, ist eine Wassereinspritzkühlung aufgrund
der Kosten und der Energieabführung
aus dem Plasma durch die Wasserkühlung
weniger praktisch. Die übliche
kommerzielle Lösung
für luftgekühlte Niederleistungsbrenner
war es, dem Metall einfach zu gestatten, an den Brennerteilen anzuhaften,
und diese dann auszutauschen. Eine typische Düsenstandzeit für einen
solchen Brenner, der mit 40 bis 50 Ampere beim Durchstoßen und
Schneiden von 6,35 mm (1/4 Zoll) Flussstahl betrieben wird, beträgt etwa
eine Stunde. Kosten sind natürlich
mit dem Austausch von Teilen, der Produktionszeit, die während des
Austauschvorgangs verloren geht, sowie Sicherheitserwägungen verbunden,
die immer auftreten, wenn ein Brenner zerlegt und wieder zusammengebaut
wird.
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Das
Gaskühlen
von Düsen
ist beispielsweise auch aus der
EP
0 196 612 bekannt. Es beinhaltet üblicherweise einen Doppelstrom,
d. h. einen primären
Strom eines Plasmagases und einen sekundären Strom. Sie können an
einem gemeinsamen Einlass oder getrennten Einlässen ihren Ursprung haben. Der
primäre
Strom muss durch ein ionisierbares Gas gebildet werden, der sekundäre Strom
ist nicht notwendigerweise ionisierbar. Der primäre Strom geht durch die Plasmakammer,
wo er ionisiert wird, und verlässt
den Brenner durch seine Düse,
um einen Plasmagasstrahl zu bilden. Das sekundäre Gas strömt außerhalb 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 Sekundärgasstroms.
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Während die
Schneidfähigkeiten
des Brenners hauptsächlich
von dem Plasmagasstrahl abhängen,
kann der sekundäre
Strom für
das Kühlen
des Brenners und zur Schaffung einer geschützten gasförmigen Umgebung am Werkstück wichtig
sein. 2A zeigt eine typische Verwendung
eines Sekundärgasstroms über die
Außenfläche einer
Düse in Richtung
auf das Werkstück.
Diese Anordnung wird für
Niederstromanwendungen verwendet. Düsen dieses Typs werden von
Hypertherm, Inc. als Modell Nr. HT 40.038 und MAX100 0.059 vertrieben. 2B zeigt
eine weitere Gaskühlanordnung
mit einer Isolierbüchse
aus Keramik am unteren Ende der Düse, um die Düse gegen
Kontakt an dem Werkstück
zu schützen.
Keramik ist jedoch spröde,
und diese Anordnung bietet keinen Schutz der Düse während des Durchstoßens.
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Das
US-Patent Nr. 4,389,559 ,
erteilt an Rotolico et al., und das
US-Patent
Nr. 4,029,930 , erteilt an Sagara et al., sind Beispiele
von Plasmabrennern für Unterwassersprüh- bzw.
-schweißanwendungen,
wo eine Hülle
aus Sekundärgas
die Zone abschirmt, wo der Lichtbogen gegen die Umgebungsatmosphäre, gleichgültig ob
Luft oder Wasser, wirkt. Das
US-Patent
4,816,637 , erteilt an Sanders and Couch, offenbart einen
Hochstrom-Unterwasserschneidbrenner mit einem nach innen gerichteten
radialen Strom von Luft von 0 bis 10 scfm in Kombination mit einer
ringförmigen
Wasserhülle,
um eine wasserfreie Schneidzone zu bilden und Wasserstoffgas wegzuspülen, das
sich sonst unter dem Werkstück
ansammeln würde.
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Wie
vorstehend festgestellt, ist die Fähigkeit eines Plasmabrenners,
ein Durchstoßen
durchzuführen,
bei einem Plasmaschneidvorgang sehr wichtig. Das gemeinsam abgetretene
US-Patent Nr. 4,861,962 und
WO 91 02 619 , erteilt an
Sanders und Couch, offenbaren die Verwendung eines elektrisch schwimmenden
Metallschilds, der die Düse
im Wesentlichen umgibt, um beim Durchstoßen verspritztes Metall zu
blockieren. Ein Sekundärgasstrom
zwischen dem Schild und der Düse
kühlt diese
Komponenten. Schräge Öffnungen
stromaufwärts
führen
einen Wirbel in den sekundären
Strom ein, um dabei zu helfen, den Lichtbogen zu stabilisieren und
die Schnittqualität
zu verbessern. Ablassöffnungen
in dem Schild ziehen auch einen Teil des Kühlstroms ab, um einen erhöhten Gesamtstrom
zum besseren Kühlen
zu gestatten, ohne den Lichtbogen während des Schneidens zu destabilisieren.
Diese Lösung
ist jedoch für
scharfzeichnende (manchmal hochdichte genannt) Brenner nicht ausreichend,
die einen konzentrierten Lichtbogen aufweisen und mehr Kühlung, als
durch ein Gas vorgesehen werden kann, erfordern. Der sekundäre Strom
ist relativ gering, um die Schnittqualität aufrechtzuerhalten. Das Gas
fungiert zum Kühlen
des Brenners und als Hilfe bei der Stabilisierung des Lichtbogens.
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Bei
Doppelstrom-Brennern, ist, wenn das Primärgas Sauerstoff oder Luft ist,
das Sekundärgas üblicherweise
Luft. Wenn das Primärgas
Stickstoff ist, ist das Sekundärgas üblicherweise
Kohlendioxid oder Stickstoff. Diese Kombinationen erzeugen einen geeigneten
Plasmagasstrahl ohne eine nicht akzeptable Größe der Störung durch das Sekundärgas bei dem
Schnitt. Bei diesen Sekundärgasen
weist der Kerbschnitt üblicherweise
einen positiven Schnittwinkel von 1 bis 2° und obere und untere Schlacke
auf. Schnittgeschwindigkeit und -qualität sind ansonsten etwa die gleichen
wie wenn kein Schild verwendet worden wäre.
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Es
ist auch bekannt, unterschiedliche Gase oder Gasgemische für unterschiedliche
Phasen des Schnittvorgangs vorzusehen. Das
japanische veröffentliche Dokument Nr. 57-68270 von
Hitachi Seisakusho K. K. offenbart beispielsweise während einer Zündlichtbogenphase
einen Vorstrom aus Argon und ein Wechseln zu Wasserstoffgas für das Schneiden, gefolgt
von einer Rückkehr
zu Argon, nachdem das Schneiden beendet ist. Die veröffentlichte
japanische Anmeldung Nr. 61-92782 der
Koike Oxygen Industry, Inc. offenbart ein Stickstoff-/Sauerstoffgemisch
als Vorstrom-Plasmagas bei der Startphase, gefolgt von einem Sauerstoff-Plasmastrom.
Diese beiden Ströme
sind für
das Plasmagas, nicht für
ein Sekundärgas.
Diese Veröffentlichung
lehrt, dass ein Plasma- oder Primärgas-Vorstrom aus etwa 85%
Stickstoff, 15% Sauerstoff der beste ist, um die Elektrodenstandzeit
zu verlängern.
Das
US-Patent Nr. 5,017,752 ,
erteilt an Severance et al., offenbart einen Strom eines nichtoxidierenden
Gases während
des Zündlichtbogenbetriebs,
der zu einen reinen Sauerstoffstrom umgeschaltet wird, wenn der
Lichtbogen übergeleitet
wird. Diese Ströme
sind wiederum nur Primärgasströme. Verschiedene
Patente und Veröffentlichungen
offenbaren auch Muster des Gasstroms und zeitliche Erwägungen.
Das
US-Patent Nr. 4,195,216 ,
erteilt an Beauchamp et al., offenbart beispielsweise verschiedene
Arten des Betreibens einer Plasmadrahtschweißvorrichtung auf eine Weise,
die das Schlüsselloch
am Ende der Schweißnaht
füllt,
indem die Drahtzuführungsrate
in Koordination mit Änderungen
im Gasstrom und dem Lichtbogenstrom eingestellt wird.
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Die
WO 91/02619 offenbart einen
Schild gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Es
ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Plasmalichtbogenbrenner mit einem Schild zu schaffen, wobei der
Abschnitt der am wahrscheinliches das gespritzte geschmolzene Metall
auffängt
ausgetauscht werden kann, ohne dass der vollständige Schild ausgetauscht werden muss.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen austauschbaren Schild, der zusammen
mit einer ringförmigen
Sekundärgaskappe
verwendet wird, die an einem Ende eines Plasmalichtbogenbrenners
angebracht ist und einen Körperabschnitt
aufweist, der sich in Richtung auf eine Austrittsöffnung einer
Düse erstreckt,
die einen Plasmagasstrahl in Richtung auf ein Werkstück zum Durchstoßen und
Schneiden des Werkstücks
richtet, wobei der Schild ein metallisches Teil aufweist, das ein
austauschbares metallisches Außenseitenstück ist mit
(i) einer zentralen, kreisförmigen Öffnung,
die zu der Austrittsöffnung
der Düse ausgerichtet
ist und bemessen ist, um den Plasmagasstrahl eng zu umgeben, (ii)
einer Gruppe von Öffnungen,
die die zentrale Öffnung
umgeben, die bemessen sind, um einen beträchtlichen Teil des Sekundärgasstroms
während
des Schneidens umzulenken, aber nicht einen Strom des Sekundärgases mit
einer höheren
Durchflussrate umzulenken, die mit dem Durchstoßen verbunden ist, wobei die Öffnungen
den Sekundärgasstrom
hoher Durchflussrate bei seiner Beendigung zu Gunsten eines Stroms
zum Schneiden entlüften,
wobei der Schild geschmolzenes Metall auffängt, das während des Schneidens von dem
Werkstück
in Richtung auf den Brenner gespritzt wird, wobei der Schild ferner
eine Einrichtung enthält,
die an der äußeren Kante
des Teiles angeordnet ist, um den Schuld austauschbar gegen den Körperabschnitt
der Sekundärgaskappe
abzudichten, und das metallische Teil (iii) eine Stufe, die mit
einer Stufe in einer Seitenwand der Sekundärgaskappe zusammenpasst, (iv)
eine Nut zum Halten eines O-Ringes, (v) eine Aussparung zum Halten
und Positionieren eines Wirbelringes an seiner unteren Kante und
(vi) einen die zentrale Öffnung
umringenden Abschirmabschnitt hat, der sich am Allgemeinen parallel zu
dem Werkstück
erstreckt, mit einer Innenfläche, die
das Äußere der
Düse spiegelt,
um dazwischen eine Hauptaustrittsöffnung für den Sekundärgasstrom
zu bilden.
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Der
austauschbare Schild umfasst einen im Allgemeinen konischen Abschnitt,
der sich von dem Abschirmabschnitt aus zu der austauschbaren Dichtungseinrichtung
erstreckt, wobei die Öffnungen
in dem konischen Abschnitt ausgebildet sind.
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Vorzugsweise
sind die Öffnungen
winklig angeordnet, um das durch sie strömende Sekundärgas von
dem Plasmagasstrahl weg zu lenken.
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Die
austauschbare Dichtungseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Stufenausnehmung,
die an der Außenkante
ausgebildet ist, um den Schild in dem Körperabschnitt anzuordnen und
zu arretieren und eine in der Außenkante gebildete, ringförmige Nut,
die auf den Körperabschnitt
weist und geeignet ist, eine O-Ringdichtung aufzunehmen.
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Der
Plasmalichtbogenbrenner besitzt eine Sekundärgaskappe, die an seinem unteren
Ende angebracht ist, wobei eine Vorderseite zwischen einer an dem
Brenner angebrachten Düse
und dem Werkstück
angeordnet ist. Bei einer Form eines scharfzeichnenden Brenners,
ist eine wassergekühlte
Kappe zwischen der Düse
und der Sekundärgaskappe angeordnet,
um eine wassergekühlte
Kammer benachbart der äußeren Fläche der
Düse für ein hochwirksames
Kühlen
zu bilden. Ein Wirbelring ist zwischen der wassergekühlten Kappe
und der Sekundärgaskappe
unmittelbar stromaufwärts
der ringförmigen
Austrittsöffnung angebracht.
Er weist einen Satz abgeschrägter Öffnungen
auf, die einen Wirbel in dem Gas verursachen, das durch sie hindurchströmt. Eine
Vorkammer befindet sich stromaufwärts des Wirbelrings, die durch
eine strömungsbegrenzende Öffnung versorgt
wird, um einen Druckabfall in der Sekundärgaszuführleitung über der wassergekühlten Kappe
zu schaffen.
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Die
Sekundärgaskappe
besitzt einen ersten, im allgemeinen zylindrischen Abschnitt, der
an einem isolierenden Element angebracht ist, einen Übergangsbereich,
der in Richtung auf den Plasmagasstrahl geneigt ist und ein austauschbares
Außenseitenstück, das
sich über
das untere Ende des Brenners gegenüber dem Werkstück erstreckt,
wobei eine zentrale Öffnung
mit der Austrittsöffnung
der Düse fluchtet
und sie eng umgibt. Vorzugsweise besitzt das Außenseitenstück einen Satz von Ausström-/Entlüftungsöffnungen,
die von dem Strahl weg abgewinkelt sind, eine Positionierungs- und
Anbringungsaussparung an ihrer Außenkante, eine Nut zum Halten
einer O-Ringdichtung und eine Positionierungsnut für den Wirbelring.
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Strömungssteuereinrichtungen,
die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind,
umfassen ein mittels eines Mikroprozessors gesteuertes Netzwerk
(oder ”Strömungskreis”) aus Leitungen,
Ventilen, Messeinrichtungen und Entlüftungsöffnungen, die ein Primärgas und
ein gemischtes Sekundärgas
in variablen Verhältnissen
von zwei Gasen mit vorwählbaren
Vielfachströmungsgeschwindigkeiten,
z. B. einem Vorstrom und einem Arbeitsstrom, schaffen. Bei einer
bevorzugten Form beliefern Sauerstoff- und Stickstoffzuführleitungen
jeweils ein Strömungsmessgerät, das die
Strömungsgeschwindigkeit
unabhängig
von dem stromaufwärtigen
Druck macht. Die Sauerstoffzuführung
strömt
zu der Plasmagasleitung und zu einem Sekundärgas-Strömungskreis. Diese beiden Sauerstoffströmungsleitungen
und eine Stickstoffströmungsleitung in
dem Sekundärströmungskreis
besitzen jeweils ein durch ein Solenoid betätigtes Strömungsmesser-Bypassventil, gefolgt
von drei parallelen Abzweigungen, die jeweils ein weiteres mittels
eines Solenoid betätigtes
Ventil und ein Nadelventil aufweisen. Eine Abzweigung schafft einen
Vorstrom. Eine zweite Abzweigung schafft einen Betriebsstrom. Eine
dritte Abzweigung gestattet einen plötzlichen erhöhten Gasstrom,
um für
eine ”Schnellladung” zu sorgen.
Diese Schnellladung ist auf einen Strömungsweg zurückzuführen, der
die Strömungsdrosselventile
in den anderen Abzweigungen im Bypass umgeht.
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Die
Ausgänge
der Sauerstoff- und Stickstoffsekundärgasleitungen werden zu einer
einzigen Sekundärzuführungsleitung
kombiniert, die zu dem Sekundärgaseinlass
an dem Brenner führt.
Diese Zuführungsleitung
und. die Primär-
und Sekundärgaszuführungsleitungen,
die dem Brenner benachbart sind, werden durch ein mittels eines
Solenoid betätigten
Dreiwegeventils in die Atmosphäre
entlüftet.
Das Öffnen
der beiden Entlüftungsöffnungen
in der Sekundärgasleitung
für kurze
Zeit während
des Übergangs
von einer Zündlichtbogenbetriebsart
zu einer übergeleiteten
Lichtbogenbetriebsart gestattet es, daß der Sekundärgasstrom
schnell auf seinen Betriebswert für das Schneiden absinkt. Das Öffnen aller
drei Entlüftungsöffnungen
bei der Plasmagasabschaltung sorgt für eine schnelle Abgabe der
Gasströme
an den Brenner. Um während
des Durchstoßens
eine starke Sekundärgasströmung zu
haben, gibt es eine zeitliche Verzögerung zwischen der Überleitung
dieses Plasmagases an das Werkstück und
dem Umschalten von dem Vorstrom zu dem Arbeitsstrom des Sekundärgases.
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Die
vorliegende Erfindung ist besser aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung verständlich,
die unter Berücksichtigung
der beiliegenden Zeichnungen gelesen werden sollte.
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Es
zeigt:
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1A eine
vereinfachte Ansicht in vertikalem Schnitt durch eine Elektrode
und mehrteilige Düse
eines Hochstrom-Wassereinspritzplasmagaslichtbogenbrenners des Stands
der Technik;
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1B eine
Ansicht entsprechend 1A einer alternativen mehrteiligen
Wassereinspritzdüse des
Stands der Technik;
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2A eine
vereinfachte Ansicht in vertikalem Schnitt durch eine einteilige
Düse eines
Plasmagaslichtbogenbrenners des Stands der Technik zur Verwendung
bei niedrigem elektrischen Strom;
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2B eine
Ansicht entsprechend 2A einer alternativen einteiligen
Düsenausführungsform für die Verwendung
mit niedrigem elektrischem Strom unter Verwendung eines zylindrischen
Keramikschilds des Stands der Technik;
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3A eine
Ansicht in vertikalem Schnitt durch einen scharfzeichnenden wasser-
und luftgekühlten
Plasmagaslichtbogenbrenner, bei dem der Schild der vorliegenden
Erfindung enthalten sind;
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3B eine
Ansicht in senkrechtem Schnitt durch den Brenner von 2A,
die die Wasserkühlkanäle zeigt.
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3C eine
Detailansicht in senkrechtem Schnitt durch die Düsen und den Austrittsöffnungsbereich
des in 3A gezeigten Brenners;
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3D eine
Ansicht in horizontalem Schnitt durch den in 3A gezeigten
Wirbelring;
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4 einen
schematische Strömungsteuerkreis,
der für
einen Mischgas-Sekundärgasstrom
mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten
und mit der Fähigkeit
einer Schnellladung und Schnellentladung sorgt; und
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5 ist
ein Zeitdiagramm für
den in 4 gezeigten Steuerkreis.
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3A und 3B zeigen
einen Plasmagaslichtbogenbrenner 10, der den Schild gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält.
Er besitzt einen Mehrkomponentenkörper 12, einschließlich eines
im Allgemeinen zylindrischen Hauptkörperabschnitts 12a,
der aus einem isolierenden Material wie FR4-Glasfaser oder Delrin
gebildet ist. Ein Anodenblock 14, der in dem Körperabschnitt 12a befestigt ist,
besitzt eine Öffnung 14a,
die eine Plasmagasleitung 16 aufnimmt, und eine Öffnung 14b,
die eine Sekundärgasleitung 18 aufnimmt;
sowohl die Plasmagasleitung 16 als auch die Sekundärgasleitung 18 gehen
durch einen Trennblock 20. Eine Düse ist direkt unterhalb einer
Elektrode 24 in beabstandeter Beziehung angebracht, um
eine Plasmagaslichtbogenkammer 30 dazwischen zu bilden,
in der Plasmagas, das von einem Wirbelring 32 zugeführt wird,
ionisiert wird, um entweder einen Zündlichtbogen zwischen der Elektrode
und der Düse
oder einem übergeleiteten
Lichtbogen zu bilden oder den Plasmagasstrahl 34 zwischen
der Elektrode und einem Werkstück 36 zu
bilden. Der Strahl 34 durchstößt das Werkstück und schneidet
dann einen Kerbschnitt 38. Es ist zu beachten, dass der
Wirbelring 32 aus zwei Stücken 32a und 32b besteht.
Radiale Öffnungen 32c an
der Wirbelringöffnung 32a verteilen
den Plasmagasstrom gleichmäßig zu den
Einspritzöffnungen 32d an
der Wirbelringöffnung 32b.
Die Elektrode 24 weist einen Hafniumeinsatz 24a auf.
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Wie
gezeigt, besitzt die Düse
eine dünnwandige
Gestalt, die insbesondere für
einen scharfzeichnenden Brenner mit einer engen Austrittsöffnung 28a,
einem Düsenkopf 28b mit
großem Durchmesser,
der als guter Kühlkörper wirkt,
einem großen
Hinterschnitt oder Aussparung 28c und einem konischen Körperabschnitt 28d,
geeignet ist. Diese Konstruktion sorgt für eine gute Wärmeübertragung
und folglich ein gutes Kühlen
der Düse
durch Wasser, das über die
Außenseite
der Düse
zirkuliert wird. Sie erleichtert auch eine zuverlässige Abdichtung
von Metall zu Metall bei 66a zwischen dem Düsenkopf
und einer ähnlichen
geneigten Stirnfläche
einer wassergekühlten
Kappe 66. Die verschiedenen Komponententeile werden mit
flüssigkeitsdichten
Dichtungen, die durch Sätze
von O-Ringen, die jeweils in einer zugehörigen ringförmigen Nut vorgesehen sind,
und der Metalldichtung 66a zusammengefügt.
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Eine
Gasquelle 42 sorgt für
einen Strom eines Plasmagases durch einen Steuerkreis 44a für das Primärgas (4)
zu einem Plasmagaseinlass 10a des Brenners 10.
Von einer Quelle 46 eines zweiten Gases strömt dieses
durch einen Strömungssteuerkreis 44b zu
einem Sekundärgaseinlass 10b des
Brenners. Das Sekundärgas
umfasst bei der gezeigten bevorzugten Form eine Mischung von Gasen
aus beiden Quellen wie dies nachstehend detaillierter erörtert wird.
In dem Brenner strömt
das Plasmagas entlang eines Strömungswegs 48,
der einen Rohrkanal 16a, einen senkrechten Kanal 48a und eine
radiale Öffnung 48b umfasst,
zu dem Wirbelring 32 und dann zu der Plasmagaskammer 30,
wo es ionisiert wird. Das Sekundärgas
folgt einem Strömungsweg 50,
der einen Rohrkanal 18a, einen senkrechten Kanal 52,
eine radiale Öffnung 54,
eine strömungsbegrenzende Öffnung 56,
eine Vorkammer 58, einen Sekundärgaswirbelring 60 und
eine ringförmige
Austrittsöffnung 62 umfasst.
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Dieser
sekundäre
Strömungsweg
und insbesondere die Öffnung 56,
die Vorkammer 58 und der Wirbelring 60 führen zu
einem hohen Grad der Strömungsgleichmäßigkeit
und Steuerung entlang der Strömung
an einem Punkt unmittelbar benachbart zu dem übergeleiteten Plasmagaslichtbogen 34.
Der Wirbelring 60 enthält
einen Satz von exzentrischen oder schrägen Löchern 64, die dem
Strom eine wirbelnde Bewegung verleihen, die die Wechselwirkung des
Sekundärgasstroms
mit dem Strahl 34 erleichtert und eine günstige Wirkung
auf die Schnittqualität
hat. Der Wirbelring ist aus einem isolierenden Material wie Hochtemperaturkunststoff,
vorzugsweise dem von I. E. du Pont de Nemours unter der Handelsbezeichnung
Vespel verkauften Produkt, hergestellt. Wie gezeigt besitzt die
Austrittsöffnung 62 einen
flachen ringförmigen
Abschnitt 62a, einen konischen Abschnitt 62b,
der nach unten und radial nach innen gerichtet ist, und einen abschließenden flachen
ringförmigen
Abschnitt 62c, der im Allgemeinen parallel zu dem Werkstück 36 verläuft. Die Öffnungskanäle 62b und 62c spiegeln
die Außenabmessungen
der benachbarten Düsenoberflächen.
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Die
Vorkammer 58 wirkt als örtliche
Gaszuführung
zu dem Wirbelring 60. Die strömungsbegrenzende Öffnung 56 schafft
einen Druckabfall an dem gegenüberliegenden
Ende der Vorkammer 58 von dem Wirbelring aus. Die Öffnung 56 und
die Vorkammer 58 isolieren den Wirbelring von den stromaufwärtigen Druckschwankungen
und den stromaufwärtigen
Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit.
In elektrischer Analogie wirken die Öffnung 56 und die
Vorkammer 58 als Glättungskondensator in
einem Wechselstromkreis. Beim Abstellen, wenn der Lichtbogenstrom
abgeschaltet wird, kühlt
sich das Gas in der Plasmagaskammer schnell ab, was zu einem plötzlichen
raschen Ausströmen
von Gas führt.
Gas in dem sekundären
Strömungsweg,
der bei dieser Erfindung fehlt, würde bei diesem raschen Ausströmen durch
die Venturi-Wirkung herausgesaugt werden. Die Öffnung 56 drosselt
das rasche Ausströmen
herunter, so dass nur eine vergleichsweise kleine Gasmenge in der
Vorkammer 58 herausgesaugt wird. Diese Menge ist dazu berechnet, die
Lichtbogenstabilisierung des Sekundärgases während des Abschaltens fortzusetzen,
und dass der Sekundärgasstrom
im Allgemeinen gleichzeitig mit dem Löschen des Lichtbogens aufhört. Diese
Anordnung sorgt für
einen sekundären
Strom aus der Austrittsöffnung 62,
der sehr gleichmäßig sowohl
in Bezug auf die Zeit als auch den Raum ist.
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Bei
dem scharfzeichnenden Brenner von 3A–3D ist
der Lichtbogen im Vergleich zu herkömmlichen Plasmagaslichtbögen hochentwickelt.
Er weist auch eine hohe Energiedichte auf. Bei einem Standard-Plasmagasschneidbrenner
beträgt die
Stromdichte etwa 3,88 × 107 A/m2 (25.000 Amp./Quadratzoll);
bei einem scharfzeichnenden Plasmagasbrenner, können die Stromdichten so hoch
wie 1,24 × 108 A/m2 (80.000 Amp./Quadratzoll), gemessen
an der Düsenbasis,
betragen. Ein Strom mit 15 Amp. ist typisch. Es wurde gefunden,
dass eine Wasserkühlung
notwendig ist. Zu diesem Zweck wird die wassergekühlte Kappe 66 in
das untere Ende des Anodenblocks 14 geschraubt, wobei sich eine
O-Ringdichtung bei 68 und die Flächenanlage-Abdichtung 66a von
Metall zu Metall an der oberen Kante des Düsenkopfs 28b befinden.
Der Wasserstrom 45a wird durch eine Wasserkammer 70 geleitet,
die durch die Kappe 66, die Außenoberfläche der Düse 28 und das untere
Ende des Anodenblocks 14 gebildet ist. Das Kühlwasser 45 strömt in den Brenner
durch Kanäle 47 hindurch,
der ein Wassereinlassrohr 17 aufweist, das in die Öffnung 15a des Kathodenblocks 15 eingepasst
ist. Wasser strömt von
dem Rohrauslass 47a durch einen Ringraum 47b,
radiale Löcher 47c in
sowohl den Kathodenblock 15 als auch die Isoliereinrichtung 13,
den Ringraum 47d, radiale Löcher 47e, einen Ringraum 47f zu
den Bohrlöchern 47g.
Hier teilt sich der Strom in zwei Ströme 45a zur Düse und 45b zu
der sekundären
Kappe über
den senkrechten Kanal 47h bzw. den Ringraum 47i auf.
Der Strom 45a kehrt von der Kammer 70 über den
senkrechten Kanal 47j zurück, der sich mit dem zurückkehrenden
Strom 45b an dem Loch 47k vereinigt und dann durch
die Rohrleitung 19 aus dem Brenner herausströmt, die
an dem Düsenblock 14 an
der Öffnung 14c angebracht
ist.
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Eine
Sekundärgaskappe 72 ist
bei 74 an dem Isolierkörper
angeschraubt und mittels O-Ringen 40c und 40d an
dem Körper gasdicht
gemacht. Die Sekundärgaskappe
besitzt einen ersten Abschnitt, einschließlich eines zylindrischen Körpers 72a,
der in einem konischen Wandabschnitt 72b mit einer Stufe 72c in
seiner Seitenwand endet. Ein zweiter oder Außenwandabschnitt 72d,
der einen austauschbaren Schild bildet, umfasst eine Stufe 72e, die
mit einer Stufe 72c, einer Nut 72f, die einen O-Ring 40e hält, Entlüftungsöffnungen 72g,
einer Aussparung 72h, die den Wirbelring 60 an
ihrer unteren Kante hält
und positioniert, einer Austrittsöffnung 72i, die an
der Düsenaustrittsöffnung zentriert
und eng um den Plasmagasstrahl herum beabstandet ist, und Wandabschnitten 72j, 72k und 72l,
die die Düse in
einer parallelen beabstandeten Beziehung spiegeln und zusammen mit
der Düse
die Austrittsöffnung 72i bilden,
zusammenpasst.
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Die
Kappe 72 befindet sich in einer parallel beabstandeten
Beziehung zu der Kappe 66, wobei der Spalt zwischen ihnen
die Vorkammer 58 bildet. Die sekundäre Gaskappe bildet nicht nur
den sekundären
Strömungsweg,
sie wirkt auch während
des Durchstoßens
als mechanischer Schild gegen verspritztes Metall. Der untere Abschnitt
der Kappe, insbesondere das Außenseitenstück 72d fängt jegliches geschmolzene
Metall, das nach oben gespritzt wird, auf, das nicht von dem Gasschild
der vorliegenden Erfindung mitgerissen wird, d. h. ein stark abschirmender
Strom des Sekundärgases,
der auf den Plasmagasstrahl auftrifft, wird gedreht, um radial zwischen
der Kappe 72 und dem Werkstück nach außen zu strömen. Es ist zu beachten, dass
die zentrale Austrittsöffnung 72i einen
sehr kleinen Durchmesser hat, um den Plasmagasstrahl 34 eng
mit einem so geringen Spielraum wie möglich ohne ein Aushöhlen zu
riskieren, zu umgeben. Der Schild schwimmt auch elektrisch. Er ist
auf einem isolierenden Material, dem Körperteil 12a, angebracht
und ist von benachbarten metallischen Elementen wie der Düse 28 und
der wassergekühlten
Kappe 66 beabstandet, und der Wirbelring 60 ist
aus einem isolierenden Material gebildet. Folglich ist es, falls
irgendein geschmolzenes Material daran anhaftet, nicht Teil eines
Leitungswegs für
eine Doppellichtbogenbildung. Die Entlüftungsöffnungen 72g umgeben
die Austrittsöffnung 72i.
Sie sind in ihrer Größe und Zahl
derart bemessen, dass sie während
des Schnittvorgangs des Brenners einen ausreichenden Teil des sekundären Stroms
zur Atmosphäre
ablenken oder ausströmen lassen,
so dass der Strom der den Plasmagasstrahl erreicht, keinen nachteiligen
Einfluss auf seinen Betrieb hat. Zu diesem Zweck sind die Öffnungen
vorzugsweise von dem Plasmagasstrahl unter einem kleinen spitzen
Winkel wie gezeigt weg abgeschrägt. Andererseits
bewirkt bei der Startphase und während des
Durchstoßens
eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit,
dass der Sekundärgasstrom
an den Entlüftungsöffnungen 72g mit
einer geringen Ablenkung des Stroms zur Atmosphäre durch sie hindurch vorbei
strömt.
Beim Abschalten sorgen, wenn der Sekundärgasdruck in dem Weg 50 und
der Vorkammer 58 abfällt,
die Lüftungsöffnungen 72g für einen
Lüftungsweg
zur Atmosphäre,
um bei dem schnellen Verringern des Sekundärgasdrucks zu helfen. Es ist zu
beachten, dass weil das Außenflächenstück 72d eine
getrennte Komponente des Brenners ist, es ausgetauscht werden kann
ohne die gesamte Kappe 72 auszutauschen, falls es verschlissen
oder beschädigt ist.
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Als
Veranschaulichung, aber nicht als Beschränkung, besitzt ein Brenner 10 mit
einer Nennleistung von 15 Amperes einen Gesamtdurchmesser von etwa
38,1 mm (1,5 Zoll), besitzt die Austrittsöffnung 72i einen Durchmesser
von etwa 1,52 mm (0,060 Zoll), besitzt ein Wirbelring 60 einen
Innendurchmesser von 7,62 mm (0,300 Zoll) und einen Außendurchmesser
von 10,16 mm (0,400 Zoll) und 6 gleichwinklig beabstandete, exzentrische
Löcher 64 mit
einem Durchmesser von 0,41 mm (0,016 Zoll). Die strömungsbegrenzende Öffnung 56 besitzt
einen Durchmesser von 0,76 mm (0,030 Zoll), und die Vorkammer 58 besitzt
ein Innenvolumen von etwa 3,23 cm2 (500
Quadratzoll). Die Austrittsöffnung
besitzt einen radialen Strömungsweg
von dem Wirbelring 60 zu dem Außendurchmesser der Austrittsöffnung 72i von
etwa 0,20 mm (0,0008 Zoll). Die Entlüftungsöffnungen 72g sind
zwölf an
der Zahl und besitzen einen Durchmesser von 4,06 mm (0,16 Zoll).
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Das
Sekundärgas
ist eine Mischung aus einem nichtoxidierenden Gas wie Stickstoff,
Argon, Helium oder irgendeinem der inerten Gase und einem oxidierenden
Gas wie Sauerstoff oder Luft, wobei das oxidierende Gas mindestens
40% der Mischung, durch Strömungsgeschwindigkeiten
gemessen, umfasst. Bei der bevorzugten Form ist mit Sauerstoff als Plasmagas
das Sekundärgas
aus einer Mischung von Sauerstoff und Stickstoff (Argon) mit ihren
jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten
in einem Verhältnis
im Bereich von etwa 2:3 bis etwa 9:1, und vorzugsweise etwa 2:1,
gebildet. Das Verhältnis
von 2:1 ist fast genau entgegengesetzt zu dem Verhältnis dieser
Gase, die die Luft bilden. Die Gase sind handelsüblich rein und im Wesentlichen
frei von Wasser und Öl.
Wenn diese Gase in diesem Verhältnis
als Schildgas, wie vorstehend mit Bezug auf 3A, 3B, 3C und 3D beschrieben,
verwendet werden, wurde gefunden, dass die Schnittgeschwindigkeit
des Brenners in Flussstahl dramatisch zunimmt. Des Weiteren ändert sich
der Schnittwinkel von 1° zu
2° positiv
mit einem Luftschild von etwa 0° oder
im Allgemeinen rechtwinklig zu dem Werkstück. Des Weiteren kann die obere
Schlacke bis zu einem Punkt kontrolliert werden, wo sie vernachlässigbar ist.
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Das
genaue Strömungsverhältnis für die Sauerstoff-
und Stickstoffströme,
die das Sekundärgas
bilden, kann empirisch durch Schneiden mit dem Brenner und Einstellen
der Ströme,
bis der Schnittwinkel oder andere Schnittparameter oder Parameter optimiert
sind, bestimmt werden. Bei der Durchführung dieser Einstellungen
wurde gefunden, dass eine Erhöhung
des Sauerstoffstroms die Schnittgeschwindigkeit (bis zu dem dreifachen
der Geschwindigkeit einer herkömmlichen
Schnittgeschwindigkeit ohne Gasschild) erhöht. Sie bewirkt auch, dass
der Schnittwinkel sehr negativ, bis zu 4° bis 5°, für einen reinen Sauerstoffstrom
wird. Die Schnittfläche
wird auch zunehmend rau und weist ein Zickzackmuster auf. Der Grund
für diese
Wirkungen ist noch nicht klar, es wird jedoch angenommen, dass eine
reiche Sauerstoffumgebung, die den Plasmagasstrahl umgibt, eine
chemische Reaktion zwischen dem Metall und dem Sauerstoff unterstützt, die
Wärmeenergie freisetzt,
die das Schmelzen des Metalls unterstützt. Der Schnittwinkel kann
auch als Wirkung des Sauerstoffsekundärstroms auf die Form des Plasmagasstrahls 34 erklärt werden.
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Die
Erhöhung
des Stickstoffstroms scheint andererseits die Schnittgeschwindigkeit
nur in dem Ausmaß zu
beeinflussen, in dem eine solche Erhöhung zu Lasten der Sauerstoffströmungsgeschwindigkeit
geht. Ein reiner Stickstoffstrom ist durch einen Schnittwinkel,
der 2° bis
3° positiv
ist, durch eine glatte Schnittfläche
und durch eine geringe Erhöhung
der Schlacke im Vergleich zum Schneiden ohne Schildgas gekennzeichnet.
Es wurde gefunden, dass durch Ändern
des Mischverhältnisses
von Sauerstoff-Stickstoff und des Gesamtsekundärgasstroms der Schnittwinkel
von etwa positiven drei Grad zu negativen drei Grad eingestellt
werden kann. Eine Erhöhung
des Sauerstoffs in der Mischung und eine Erhöhung des Gesamtstroms machen
den Schnittwinkel negativer. So kann der Schnittwinkel auf einen
gewünschten Wert
einfach durch Ändern
der Sekundärgasmischung
abgestimmt werden statt die Geometrie des Brenners zu ändern, wie
dies in der Vergangenheit der Fall war. Wenn der Schnittwinkel bei
einem Null- oder
negativen Wert gehalten wird, wird die Oberflächenschlacke ebenfalls im Wesentlichen
eliminiert.
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Die
erfindungsgemäße Sekundärgasmischung,
die reich an Sauerstoff ist, verbessert auch die Durchstoßfähigkeit
des Brenners 10. Ein durchstoßenes Loch, das mit einem erfindungsgemäßen Sekundärgas, das
reich an Sauerstoff ist, hergestellt wird, ist sauberer und kann
größere Dicken
der Metallplatte als identische Brenner durchdringen, die mit unterschiedlichen
Mischungen, wie Luft, arbeiten.
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4 zeigt
den Gasstromsteuerkreis 44, der den Strom der Plasma- und
Sekundärgase
von Quellen 42 und 46 zu den Einlässen 10a und 10b des Brenners 10 steuert.
Das Plasmagas, das für
die Zwecke dieser Erörterung
als Sauerstoff angenommen wird, strömt von den Quellen 42 durch
ein Stickstoff-/Sauerstoff-Solenoidwahlventil SV15 (normalerweise
in der Sauerstoff-Wahlstellung). Es wird dann in einen Plasmagasstrom
entlang der Leitung 76 und einen Sekundärgasstrom (Sauerstoffteil)
entlang der Leitung 78 zu der Sauerstoffzuführleitung 86 in
dem Sekundärgasabschnitt 44b der
Steuerung 44 aufgeteilt. Die Sekundärgasversorgung 46 versorgt
eine Leitung 82, die eine Abzweigleitung 84 zu
dem Schalter SV50 aufweist, falls Stickstoff als Plasmagas gewünscht wird.
Druckschalter PS1 und PS2 in Leitungen 86 und 82 gestatten
es nicht, dass das Plasmagasschneidsystem arbeitet, falls der Druck
unter einen vorbestimmten Wert abfällt.
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Unter
Verwendung von Sauerstoff als Plasmagas und einer Mischung aus Sauerstoff
und Stickstoff als Sekundärgas
werden drei Zuführleitungen 76, 78 und 82 verwendet.
Jede besitzt einen Strömungsmesser
FM1, FM2 bzw. FM3 und einen Druckmesser PG1, PG2, PG3, die in Reihe
mit den Strömungsmessern
geschaltet sind. Die Strömungsmesser
stellen eine genaue Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten von
sowohl den Plasma- als auch den Schildgasströmen sicher. Drei Bypass-Solenoidventile
SV8, SV9 und SV10 sind jeweils parallel zu den drei Strömungsmessern
geschaltet. Diese Ventile sind Dreiwegeventile, die normalerweise
zur Bypassleitung offen sind. Dies dient dazu, die Strömungsmesser
während
der Übergangszeiten
zu schützen,
und während
des Dauerzustands sind drei Ventile geschlossen, um die Strömungsmessung
zu gestatten.
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Drei
normalerweise geschlossene Solenoidventile sind parallel mit einander
an der stromabwärtigen
Seite des Strömungsmessers
für jede
Leitung 76, 78 und 82 verbunden. Auf
jedes Solenoidventil folgt ein Nadelventil. Jeder Satz dieser Solenoidventile
besitzt eines, das den Vorstrom steuert, ein Ventil, das den Arbeitsstrom
steuert und ein drittes Ventil, das für eine Schnellladung sorgt.
Für die
Sauerstoffplasmagasleitung 76 sind das Vorstromventil SV2, das
Arbeitsventil SV1 und das Schnelladungsventil SV3 vorgesehen. Die
zugehörigen
Nadelventile sind MV2, MV1 bzw. MV3. Für die Sauerstoffsekundärgasleitung
sind diese drei Solenoidventile SV5, SV4 und SV16, gefolgt von Nadelventilen
MV5, MV4 bzw. MV8, vorgesehen. Für
die Stickstoffsekundärgasleitung
sind diese Solenoidventile SV7, SV6 und SV17, gefolgt von zugehörigen Nadelventilen
MV7, MV6 bzw. MV9, vorgesehen. Die Ausgänge von den Ventilen SV4, SV5,
SV6, SV7, SV16 und SV17 werden zu einer einzigen Sekundärgasleitung 86 kombiniert, die
mit dem Sekundärgaseinlass 10b an
dem Brenner verbunden ist. Der Ausgang der Sauerstoff- und Stickstoffsekundärgasleitungen
wird deshalb zu einem einzigen Strom zu dem Brenner kombiniert.
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Der
Gassteuerkreis 44 umfasst auch vier Dreiwegeentlüftungsventile,
die normalerweise zur Atmosphäre
hin offen sind. Sie sind auch elektrisch betätigte Solenoidventile. Das
Entlüftungsventil
SV11 ist mit der Sauerstoffplasmagasleitung an einer Gaskonsole 88 verbunden,
in der der Gassteuerkreis 44 untergebracht ist. Ein ähnliches
Entlüftungsventil SV13
ist auch in der Leitung 80 jedoch am Brenner angeschlossen.
Dieses Ventil besitzt eine strömungsbegrenzende Öffnung CO1
in dem Entlüftungskanal,
der zur Atmosphäre
führt.
Es steuert auch das Absinken des Plasmagasdrucks in der Düse beim
Abschalten. Es wird eingestellt, so dass der Gasdruck den Lichtbogen
aufrechterhält,
während
der Strom eingeschaltet ist, dissipiert jedoch den Plasmagasdruck
schnell, wenn der Strom abgeschaltet wird. In der Sekundärgaszuführungsleitung 86 ist
ein Entlüftungsventil
SV12 mit der Leitung an der Konsole 88 verbunden und ein ähnliches
Ventil SV14 ist in der Leitung mit dem Brenner verbunden. Der Gaskreis 44 weist
auch Druckmesser PG4 und PG5 auf, die an der Konsole 88 mit
den kombinierten Ausgängen
aus den Vorstrom-, den Arbeitsstrom- und den Schnellentladungsventilen
verbunden ist. PG4 liest den Sauerstoffplasmagasdruck an der Leitung 80,
PG5 liest den Sekundärgasdruck
an der Leitung 86.
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Während des
Durchstoßens
werden die Vorstromventile erregt, um sich zu öffnen, wobei die Betriebsventile
und die Schnellladungsventile während des
größten Teils
des Vorstroms geschlossen sind. In dieser Situation steuern die
Nadelventile MV5 und MV7 das Mischungsverhältnis der Sauerstoff- und Stickstoffströme, die
das Sekundärgas
bilden. Wie vorstehend erörtert
wird dieses Verhältnis
vorzugsweise auf etwa 2:1 eingestellt, jedoch können Anpassungen durchgeführt werden,
um den Strom für
gegebene Arbeitsbedingungen zu optimieren und die unterschiedlichen
Schnittparameter zu optimieren. Der Vorstrom durch die Ventile SV5,
MV5, SV7 und MV7 wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit eingestellt,
die viele Male höher
ist als die Arbeitsströmungsgeschwindigkeit,
die von den Ventilen SV4, MV4, SV6, MV6 eingestellt wird. Ein typischer
Wert für
den gesamten sekundären
Gasvorstrom beträgt 120
scfh und 20 scfh für
den Arbeitsstrom. Geeignete Dreiwegesolenoidventile werden von der
Automatic Switch Company als Modell Nr. AFP33183 oder von MAC Valves
Inc. als Modell Nr. 111B – 111BAAA
hergestellt. Die Ventile werden alle durch einen zentralen Mikroprozessor 90 gesteuert,
der programmiert ist, um den Gaskreis 44 in der durch das
Zeitdiagramm von 5 gezeigten Weise zu betätigen.
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5 zeigt
den Betriebszustand aller Ventile im Kreis 44 während eines
vollständigen
Arbeitszyklus des Brenners 10 von t0 an,
wenn dem System das Startsignal von einer Bedienungsperson gegeben wird,
bis zu einem vollständigen
Abschalten des Lichtbogenstroms und der Gasströme am Ende von t6. 5 zeigt
auch den entsprechenden Lichtbogenstrom, die entsprechende Spannung
und die entsprechenden Gasdrücke
an der Düse
(in der Plasmagaslichtbogenkammer) und den Sekundärgasschilddruck,
der zwischen den Kappen 66 und 72 an der Vorkammer 58 gemessen
wird.
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Sobald
der Startbefehl gegeben ist, werden die drei Vorstromsolenoidventile
SV2, SV5 und SV7 erregt, um sich zu öffnen. Die vier Entlüftungsventile SV11,
SV12, SV13 und SV14 werden zur einer Schließstellung erregt (sie sind
normalerweise offen). Die drei Schnellladungsventile SV3, SV16 und
SV17 werden gleichzeitig auch erregt. Die Schnellladungsventile
bringen den Düsen-
und den Schildgasdruck auf seine vollen Vorstromwerte zum Zeitpunkt
t1 für das
Plasmagas und zum Zeitpunkt t2 für das Schildgas.
Die Schnellladungsventile arbeiten, um die Leitungen 80 und 86 schnell
zu laden, da sie es den Strömen
gestatten, die Strömungsbegrenzung
in den Vorstrom- und Arbeitsstromabzweigungen im Bypass zu umgehen.
Sie gestatten eine plötzliche
Stufenfunktionserhöhung
im Strom. Der Vorstrom wird während
einer gesamten verstrichenen Zeit von 1 bis 2 Sekunden fortgesetzt,
lang genug um die Vorströme zu
stabilisieren. Wie in 5 gezeigt, werden Hochspannungsspitzen 91 mit
hoher Frequenz an den Brenner nach etwa 1 Sekunde des Vorstroms
angelegt, um einen Zündlichtbogen,
wie bei 92 gezeigt, auszulösen. Wenn für den Zündlichtbogen ein Durchschlag
auftritt, fällt
die Spannung ab.
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Bei
der Überleitung
des Lichtbogens zum Werkstück
steigt der Strom wie bei 94 gezeigt auf sein Arbeitsniveau 96 bei
Beendigung der Überleitung
an. Die Spannung fällt
bei der Überleitung
und der Gasdruck steigt an, wenn das Plasmagas in dem Brenner an
der Düse
auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wird und der Gasstrom an der
Düsenöffnung 28a abgedrosselt
wird. Während
der Überleitung
tritt das Durchstoßen
auf. Um den Hochgeschwindigkeitsgasschild der vorliegenden Erfindung
vorzusehen, wird ein großer
Sekundärgasvorstrom
für etwa 60
ms nach dem Beginn der Überleitung
aufrechterhalten. Dieser Sekundärgasvorstrom
mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
bläst geschmolzenes
Metall, das nach oben in Richtung auf den Brenner spritzt, weg,
bevor es den Brenner selbst erreichen kann. Der Strom umgibt den
Plasmagasstrahl und ist radial nach innen gerichtet. Er steht mit
dem Strahl in Wechselwirkung, jedoch kehrt der größte Teil
des Stroms um und strömt
radial von dem Strahl weg, wobei er nach außen und unten in den Bereich
zwischen dem Werkstück
und dem unteren Ende des Brenners strömt. Er schafft eine sich bewegende
kühle Gasgrenze
zwischen der Kappe 72 und dem Werkstück. Dieser starke Strom besteht
während
des Durchstoßens,
ist jedoch während
des normalen Schneidens stark verringert. Während des Schneidens schützt die
mechanische Abschirmung der Kappe 72 die Düse gegen
eine Doppellichtbogenbildung.
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Nach
etwa 50 ms seit Beginn der Überleitung ist
das Plasmagasschnelladungsventil SV3 während eines Zeitraums t2 erneut geöffnet, um den Plasmagasstrom
schnell zu seinem vollständig
arbeitenden Ventil zu bringen. Nach 50 ms seit Beginn der Überleitung öffnen sich
Arbeitsstromventile für
sowohl das Plasma- als auch das Schildgas SV1, SV4, SV6. Nach einem
Zeitraum t3 seit der Überleitung werden die beiden
Schildleitungsentlüftungsventile
SV12 und SV14 kurz während
eines Zeitraums t4 wie gezeigt geöffnet, um
den Druck in der sekundären
Leitung dabei zu unterstützen,
auf ein Niveau abzufallen, das einem viel geringeren Arbeitsstrom
entspricht. Dies ist die Sekundärgasschnellentladung.
Die Ventile bleiben während
des Betriebs in diesen Arbeitsstellungen mit der Ausnahme, dass
die drei Strömungsmesser-Bypassventile
etwa 300 ms nach Beginn der Überleitung
erregt werden. Dies findet statt, nachdem die Ströme ihre
Dauerzustandswerte erreicht haben. Um den Betrieb des Brenners anzuhalten,
(i) aberregt und schließt
ein STOP-Befehl die drei Arbeitsventile SV1, SV4 und SV6, (ii) aberregt
er die vier Entlüftungsventile,
um sie zur Atmosphäre
zu öffnen
und dadurch eine Schnellentladung der Plasma- und Sekundärgase zu
erleichtern, und (iii) aberregt er die Strömungsmesser-Bypassventile. Von dem STOP-Befehl an
bis zum Ende von t6 wird der Lichtbogenstrom
verringert. Am Ende von t6 wird er vollständig abgeschaltet.
Es gibt an der Düse
einen geringen Restdruck, der jedoch schnell dissipiert wird, so
dass es im Wesentlichen bei der Stromabschaltung, dem Ende von t6, keinen starken wirbelnden Gasstrom in
der Plasmagaskammer gibt. Es wurde gefunden, dass diese Bedingung
für die
Verringerung des Elektrodenverschleißes sehr förderlich ist. Es wurde ein
Schild mit einem entfernbaren Außenseitenabschnitt beschrieben,
um einen leichten Austausch zu gestatten. Es wurde auch eine Düse beschrieben,
die besonders für
die wassergekühlte Hochtemperaturarbeitsumgebung
eines scharfzeichnenden Brenners geeignet ist.