DE3050798C2 - Plasma burner using transferred arc - esp. for high speed cutting of thick metal plates, has arc constricting channels of defined related length - Google Patents
Plasma burner using transferred arc - esp. for high speed cutting of thick metal plates, has arc constricting channels of defined related lengthInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einer nichtabschmelzenden Elektrode, die zusammen mit einem Werkstück in den Stromkreis einer Stromquelle zwecks Ausbildung eines übertragenen Plasmalichtbogens zwischen der Elektrode und dem Werkstück legbar ist, und mit einer den Plasmalichtbogen bündelnden und einschnürenden Düsenanordnung, die einen ersten lichtbogeneinschnürenden Kanal, dessen Längsachse mit der Längsachse der Elektrode ausgerichtet ist, einen mit dem ersten lichtbogeneinschnürenden Kanal koaxial ausgerichteten zweiten lichtbogeneinschnürenden Kanal, der über seine volle Länge einen im wesentlichen konstanten Durchmesser hat, eine die beiden lichtbogeneinschnürenden Kanäle trennende Wasserkammer, eine Einrichtung, mittels deren ein Gasstrom in den Brenner hinein sowie in Wirbelform um den Lichtbogen herum- und durch die beiden lichtbogeneinschnürenden Kanäle hindurchleitbar ist, und eine Einrichtung aufweist, mittels deren in die Wasserkammer ein Flüssigkeitsstrahl zum Umhüllen des wirbeiförmigen Gasstroms und des Lichtbogens in dem zweiten üchtbogeneinschnürenden Kanal einleitbar ist.The invention relates to a plasma torch with a non-consumable electrode, which together with a Workpiece in the circuit of a power source for the purpose of forming a transferred plasma arc can be placed between the electrode and the workpiece, and with a plasma arc bundling and constricting nozzle assembly having a first arc-constricting channel, its longitudinal axis with aligned with the longitudinal axis of the electrode, a channel coaxial with the first arc-constricting channel aligned second arc-constricting channel having a substantially has a constant diameter, a water chamber separating the two arc-constricting channels, a device by means of which a gas flow into the torch and in vortex form around the arc can be guided around and through the two arc-constricting channels, and has a device, by means of which a jet of liquid into the water chamber to envelop the vortex-shaped gas flow and the arc can be introduced into the second arc-constricting channel.
Bei einem bekannten Brenner dieser Art (DE-AS 30 394) haben die beiden lichtbogeneinschnürenden Kanäle gleichen Durchmesser. Der Flüssigkeitsstrahl setzt die Neigung zu einer Doppelbogenbildung herab. Insbesondere dann, wenn die Flüssigkeit zu einer Wirbelbewegung in der gleichen Richtung wie der Gasstrom veranlaßt wird, lassen sich Qualitätsschni'te auch bei dicken Werkstücken relativ leicht erhalten. Die Lebensdauer der Düsenanordnung ist jedoch häufig unbefriedigend. In a known burner of this type (DE-AS 30 394) the two arc constricting Channels of the same diameter. The jet of liquid reduces the tendency to form double arcs. Particularly when the liquid begins to swirl in the same direction as the gas flow is initiated, quality cuts can be obtained relatively easily even with thick workpieces. The lifespan however, the nozzle arrangement is often unsatisfactory.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner zu schaffen, bei dem die Lebensdauer der Düsenanordnung verlängert istThe invention is based on the object of creating a plasma torch in which the service life the nozzle assembly is extended
Ausgehend von einem Plasmabrenner der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Durchmesser des zweiten lichtbogeneinschnürenden Kanals zwischen etwa 8% u?d etwa 20% und vorzugsweise zwischen 10 und 15% größer als der Durchmesser des ersten lichtbogeneinschnürenden Kanals ist Als besonders günstig erwies es sich, wenn der Durchmesser des zweiten lichtbogeneinschnürenden Kanals etwa 12% größer als der Durchmesser des ersten lichtbogeneinschnürenden Kanals ist Durch die genannten Durchmesserrelationen wird überraschenderweise die Standzeit der Düsenanordnung wesentlich erhöht.Based on a plasma torch of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention solved that the diameter of the second arc-constricting channel between about 8% and about 20% and preferably between 10 and 15% larger than the diameter of the first arc constricting Channel is It has been found to be particularly favorable if the diameter of the second arc-constricting The channel is about 12% larger than the diameter of the first arc-constricting channel Surprisingly, the service life of the nozzle arrangement becomes essential elevated.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigtThe invention is explained in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment. In the Drawings shows
F i g. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Plasmalichtbogenbrenners,F i g. 1 shows a longitudinal section of a plasma arc torch according to the invention,
F i g. 2 in größerem Maßstab einen Längsschnitt der Düsenanordnung des Brenners nach F i g. 1 undF i g. 2 shows, on a larger scale, a longitudinal section of the nozzle arrangement of the burner according to FIG. 1 and
Fig.3 einen Querschnitt der Düsenanordnung entlang
der Linie 3—3 d?r F i g. 2.
Der Plasmalichtbogenbrenner 10 weist eine Düsenanordnung 12 und eine nichtabschmelzende Elektrodenanordnung
14 auf, die vorzugsweise aus Kupfer gefertigt und mit einem Einsatz 16 aus Wolfram oder thoriertem
Wolfram versehen ist, der als Kathode dient. Die Elektrodenanordnung 14 ist mit einem Brennkörper 18
verbunden, der einen Gaskanai 20 und einen Flüssigkeitskanal 22 aufweist Der Brennerkörper ist von einem
äußeren, isolierten Gehäuse 24 umgeben.Figure 3 is a cross-section of the nozzle assembly taken along line 3-3 of Figure 3. 2.
The plasma arc torch 10 has a nozzle arrangement 12 and a non-consumable electrode arrangement 14, which is preferably made of copper and is provided with an insert 16 made of tungsten or thoriated tungsten, which serves as a cathode. The electrode arrangement 14 is connected to a combustion body 18 which has a gas duct 20 and a liquid duct 22. The burner body is surrounded by an outer, insulated housing 24.
Ein Rohr 26 sitzt innerhalb einer Mittelbohrung 28 der Elektrodenanordnung 14, um ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser, durch die Elektrodenanordnung 14 hindurch zirkulieren zu lassen. Der Durchmesser des Rohrs 26 ist kleiner als der Durchmesser der Bohrung 28, um einen Raum 29 zu bilden, durch den das Wasser hindurchströmen kann, nachdem es aus dem Rohr 26 austritt. Das Wasser strömt von einer nicht gezeigten Quelle aus durch das Rohr 26 hindurch und über den Raum 29 zurück an einer öffnung 32 im Brennerkörper 18 vorbei sowie in den Kanal 22 hinein. Der Kanal 22 läßt Kühlwasser in die Düsenanordnung 12 gelangen,A tube 26 sits within a central bore 28 of the electrode assembly 14 to convey a liquid medium, for example water to circulate through the electrode assembly 14. The diameter of the Tube 26 is smaller than the diameter of the bore 28 to form a space 29 through which the water can flow after it has come out of the pipe 26 exit. The water flows from a source (not shown) through the pipe 26 and over the Space 29 back past an opening 32 in the torch body 18 and into the channel 22. The channel 22 lets cooling water get into the nozzle arrangement 12,
so wo der Wasserstrom in einen den Plasmalichtbogen umgebenden Wirbel umgewandelt wird. Gas gelangt von einer nicht veranschaulichten Quelle aus über den Gaskanal 20, einen konventionellen Gasleitkörper 34 aus hochtemperaturfestem keramischem Werkstoff und Einlaßöffnungen 38 in eine Gaskammer 36. Die Einlaßöffnungen 38 sind in bekannter Weise so angeordnet, daß das in die Gaskammer 36 einströmende Gas zu einer Wirbelbewegung veranlaßt wird. Das Gas strömt aus der Gaskammer 36 über lichtbogeneinschnürende Kanäle 40 und 42 der Düsenanordnung 12 aus. Die mit dem Brennerkörper 18 verbundene Elektrodenanordnung 14 hält den keramischen Gasleitkörper 34 und einen Isolationskörper 35 aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff an Ort und Stelle. Der Körper 35 sorgt für eine elektrische Isolation der Düsenanordnung 12 gegenüber der Elektrodenanordnung 14.so where the water flow is converted into a vortex surrounding the plasma arc. Gas is coming from a source (not shown) from a conventional gas guide body 34 via the gas channel 20 high temperature resistant ceramic material and inlet openings 38 in a gas chamber 36. The inlet openings 38 are arranged in a known manner so that the gas flowing into the gas chamber 36 closes a whirling motion is caused. The gas flows out of the gas chamber 36 via arc constricting Channels 40 and 42 of the nozzle arrangement 12 from. The electrode assembly connected to the torch body 18 14 holds the ceramic gas guide body 34 and an insulation body 35 made of a high temperature resistant Plastic in place. The body 35 provides electrical insulation for the nozzle arrangement 12 opposite the electrode arrangement 14.
Die Düsenanordnung 12 wird von einer Düsenkappe 44 abgestützt, die mit dem Gehäuse 24 des Brennerkop-The nozzle arrangement 12 is supported by a nozzle cap 44 which is connected to the housing 24 of the burner head
fes in lösbarem Eingriff steht Die Düsenanordnung 12 weist einen oberen Hauptkörper 48 und einen unteren Teil 50 auf. Der untere Teil 50 kann aus Metall bestehen, ist aber vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise Aluminiumoxid, gefertigt Der untere Teil 50 ist von dem oberen Hauptkörper 48 durch einen Abstandshalter 52 aus Kunststoff und einen Wirbelring 54 getrennt Der zwischen dem oberen Hauptkörper 48 und dem unteren Teil 50 vorhandene Raum bildet eine Wasserkammer 55 mit der Länge Wc von zweckmäßig 2$ bis 5,1 mm. Der Kanal 40 im Hauptkörper 48 ist mit der Längsachse der Elektrodenanordnung 14 des Brenners axial ausgerichtet Der Kanal 40 ist zylindrisch; er hat eine Länge L\ von vorzugsweise 4,1 bis 9,1 mm und einen Durchmesser D\, und er ist be- is nachbart der Gaskammer 36 mit einem abgeschrägten Ende 56 versehen, wobei dur Schrägungswinkel vorzugsweise 45° beträgt.The nozzle assembly 12 has an upper main body 48 and a lower portion 50. The lower part 50 can be made of metal, but is preferably made of a ceramic material, for example aluminum oxide. The lower part 50 is separated from the upper main body 48 by a spacer 52 made of plastic and a vortex ring 54 between the upper main body 48 and the The space present in the lower part 50 forms a water chamber 55 with a length Wc of expediently $ 2 to 5.1 mm. The channel 40 in the main body 48 is axially aligned with the longitudinal axis of the electrode assembly 14 of the torch. The channel 40 is cylindrical; it has a length L \ of preferably 4.1 to 9.1 mm and a diameter D \, and adjacent to the gas chamber 36 it is provided with a beveled end 56, the bevel angle preferably being 45 °.
Der lichtbogeneinschnürende Kanal 42 ist eine im unteren Teil 50 ausgebildete zylindrische Bohrung mit der Länge Li von vorzugsweise 1,8 bis 4,1 mm und dem Durchmesser D-s, die mittels einer aus Kunststoff gefertigten Zeritrierhülse 58 mit dem lichtbogeneins hnürenden Kanal 40 des Hauptkörpers 48 axial ausgerichtet gehalten wird. Die Zentrierhülse 58 weist an ihrem einen Ende eine Lippe 59 auf, die in eine Kerbe 60 des Hauptkörpers 48 lösbar eingreift. Die Zentrierhülse 58 sitzt unter Vorspannung zwischen dem oberen Hauptkörper 48 und dem unteren Teil 50. Der Wirbelring 54 und der Abstandhalter 52 werden montiert, bevor das untere Teil 50 in die Zentrierhülse 58 eingesetzt wird. Das Wasser strömt von dem Kanal 22 durch eine Öffnung 65 zu Injektionsöffnungen 67, über welche das Wasser in die Wasserkammer 55 hineingetrieben wird. Die Injektionsöffnungen 67 sind entsprechend Fig. 3 tangential um den Wirbelring 54 herum angeordnet, um das Wasser zu veranlassen, in der Wasserkammer 55 einen Wirbelstrom auszubilden. Das Wasser verläßt die Wasserkammer 55 über den lichtbogeneinschnürenden Kanal 42 im unteren Teil 50.The arc-constricting channel 42 is a cylindrical bore formed in the lower part 50 with the length Li of preferably 1.8 to 4.1 mm and the diameter D- s , which is connected to the arc-constricting channel 40 of the main body by means of a ceritration sleeve 58 made of plastic 48 is held axially aligned. One end of the centering sleeve 58 has a lip 59 which releasably engages in a notch 60 in the main body 48. The centering sleeve 58 is preloaded between the upper main body 48 and the lower part 50. The vortex ring 54 and the spacer 52 are assembled before the lower part 50 is inserted into the centering sleeve 58. The water flows from the channel 22 through an opening 65 to injection openings 67, through which the water is driven into the water chamber 55. The injection openings 67 are arranged tangentially around the vortex ring 54, as shown in FIG. 3, in order to cause the water to form an eddy current in the water chamber 55. The water leaves the water chamber 55 via the arc-constricting channel 42 in the lower part 50.
Eine nicht veranschaulichte Stromquelle ist an die mit einem metallischen Werkstück in Reihe geschaltete Elektrodenanordnung 14 angeschlossen, wobei das Werkstück im allgemeinen geerdet wird. Ein Plasmalichtbogen wird zwischen dem Kathodeneinsatz 16 des Brenners 10 und dem Werkstück ausgebildet. Die Bildung des Plüsmalichtbogens erfolgt üi'.f herkömmliche Weise, indem zwischen der Elektrodenanordnung 14 und der Düsenanordnung 12 kurzzeitig ein Hilfslichtbogen gebildet wird, der dann durch die lichtbogeneinschnürenden Kanäle 40 imJ 42 hindurch auf das Werkstück übertragen wird. Jeder der lichtbogeneinschnürenden Kanüle 40 und 42 trägt zu der Intensivierung und Bündelung des Lichtbogens bei. Durch Anwendung des Wasserwirbels wird ein optimales Betriebsverhalten sichergestellt. An unillustrated power source is connected to the a metallic workpiece connected in series electrode arrangement 14, wherein the Workpiece is generally grounded. A plasma arc is between the cathode insert 16 of the Burner 10 and the workpiece formed. The formation of the plus arc takes place via conventional methods Way, by briefly an auxiliary arc between the electrode assembly 14 and the nozzle assembly 12 which is then formed through the arc-constricting channels 40 imJ 42 through onto the workpiece is transmitted. Each of the arc-constricting cannulas 40 and 42 contributes to the intensification and Bundling the arc at. The use of the water vortex ensures optimal operating behavior.
Es wurde gefunden, daß die Lebensdauer der Düsenanordnung 12 verlängert werden kann, wenn der Durchmesser Lh des unteren lichtbogeneinschnürenden Kanals 42 um einen Betrag von 8 bis 20% größer als der Durchmesser D\ des oberen lichtbogeneinschnürenden Kanals 40 gehalten wird. Besonders günstig ist ein Durchmesser D2, der 10 bis 15% größer als D1 ist. Der bevorzugte Wert liegt bei 12%.It has been found that the life of the nozzle assembly 12 can be increased if the diameter Lh of the lower arc-constricting channel 42 is maintained 8 to 20% greater than the diameter D \ of the upper arc-constricting channel 40. A diameter D 2 which is 10 to 15% larger than D 1 is particularly favorable. The preferred value is 12%.
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