Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft im allgemeinen Plasmalichtbogen-,
Schneid- und Schweißverfahren und -vorrichtungen. 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 schützen.
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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.
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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.
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Zu den Konstruktionsmerkmalen dieser Brenner gehört das
Kühlen des Brenners, da der Lichtbogen Temperaturen über
10.000ºC 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.
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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 0ºC oder nahe daran ist, d. h., daß die
"gute" Seite der Kerbe eine Oberfläche hat, die senkrecht zu
dem Metallblech selbst ist.
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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 Fig. 1A und 1B dargestellt. Die
Hypertherm Modelle Nr. HT400 0,099, HT400 0,166 und PAC500
0,187 entsprechen den Fig. 1A und benutzen eine mit
Wasser gekühlte keramische Düsenaußenfläche. Fig. 2B zeigt
eine Variante dieser Ausführung, die von Hypertherm, Inc.
als Modell PAC500 0,250 verkauft wird.
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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.
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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.
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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. Fig. 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. Fig. 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.
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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. Schweißanwendungen,
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.
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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.
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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 akzeptablen
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.
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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 Anmeldungs-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.
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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, bekannt. Insbesondere
ist den Anmeldern nicht 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.
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Es ist ein Hauptziel der Erfindung, einen
Plasmalichtbogenbrenner und ein Betriebsverfahren bereitzustellen, das die
Schnittgeschwindigkeit erhöht und eine Kerbe mit
verbesserter Schnittqualität erzeugt.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den
vorgenannten Vorteil für einen scharfzeichnenden Brenner
bereitzustellen.
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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
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Die vorliegende Erfindung stellt in einer ersten
Ausführungsform die Verwendung einer
Plasmalichtbogen-Schneidvorrichtung bereit, die einen Plasmalichtbogen-Schweißbrenner
enthält, der ein Gehäuse, eine Elektrode und eine Düse hat,
die an einem ersten Ende des Gehäuses in einem gegenseitigen
Abstandsverhältnis angebracht sind, das eine Plasmakammer
bildet, einen Plasmagas-Strömungsweg in dem Gehäuse, der ein
Plasmagas von einem Plasmagaseinlaß zu der Plasmakammer
leitet, einen Sekundärgas-Strömungsweg in dem Gehäuse von
einem Sekundärgaseinlaß zu einer Ausgangsöffnung, wobei das
Sekundärgas aus einer Mischung aus einem nicht oxidierenden
Gas und einem oxidierenden Gas gebildet ist, wobei die
Mischung mindestens 40% oxidierendes Gas enthält, gemessen
am Durchsatz.
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Vorzugsweise ist das nicht oxidierende Gas aus der aus
Stickstoff und Argon bestehenden Gruppe ausgewählt und ist
das oxidierende Gas aus der aus Sauerstoff und Luft
bestehenden Gruppe ausgewählt.
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Vorzugsweise ist das Verhältnis des oxidierenden Gasstromes
zu dem nicht oxidierenden Gasstrom ungefähr 2 : 1.
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Vorteilhafterweise sind die Gase handelsrein und im
wesentlichen frei von Wasser und Öl.
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Das Verhältnis kann eingestellt sein, um einen
Kerbenschnittwinkel zu erzeugen, der im großen und ganzen
senkrecht zu dem Werkstück mit einer vernachlässigbaren
Oberschlackenbildung ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt in einer zweiten
Ausführungsform ein Verfahren zum Verbessern der
Schnittgeschwindigkeit und der Schnittqualität eines Plasmalichtbogen-
Schweißbrenners bereit, der ein Metallwerkstück bearbeitet,
wobei der Schweißbrenner einen Plasmagasstrom hat, der einen
Plasmastrahl und einen Sekundärgasstrom bildet, wobei das
Bilden des Sekundärgasstromes aus einer Mischung aus einem
oxidierenden Gas und einem nicht oxidierenden Gas mitumfaßt
wird, wobei das oxidierende Gas mindestens 40% des Stromes
umfaßt, gemessen an den Durchsätzen.
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Vorzugsweise liegt das Stromverhältnis des oxidierenden und
des nicht oxidierenden Gases im Bereich von 2 : 3 bis 9 : 1.
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Am meisten bevorzugt ist ein Verhältnis von ungefähr 2 : 1.
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Vorzugsweise ist das oxidierende Gas aus der aus Sauerstoff
und Luft bestehenden Gruppe ausgewählt, und das nicht oxidierende
Gas ist aus der aus Stickstoff und Argon
bestehenden Gruppe ausgewählt.
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Ein bevorzugter Plasmalichtbogen-Schweißbrenner 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 Schweißbrenners 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.
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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
Schweißbrenners, 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 Zentner- und
Befestigungsvertiefung an ihrer äußeren Kante, eine Nut um eine O-
Ring-Dichtung zu halten, und eine Zentriernut für den
Wirbelring.
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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 Strömungmeß-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.
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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.
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Diese und andere Merkmale und Ziele der vorliegenden
Erfindung ergeben sich noch besser aus der folgenden
detaillierten Beschreibung, die im Lichte der beiliegenden Zeichnungen
gelesen werden sollte.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1A zeigt in einem vertikalen Querschnitt eine
vereinfachte Darstellung einer Elektrode und einer
mehrteiligen Düse eines Hochstrom-Wassereinspritz-
Plasmalichtbogenschweißbrenners des Standes der
Technik;
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Fig. 1B zeigt eine Fig. 1A entsprechende Ansicht einer
alternativen mehrteiligen Wassereinspritzdüse des
Standes der Technik;
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Fig. 2A zeigt in einem vertikalen Querschnitt eine
vereinfachte Ansicht einer zum Stand der Technik
gehörenden einteiligen Düse eines
Plasmalichtbogenschweißbrenners zum Gebrauch mit Niedrigströmen;
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Fig. 2B zeigt eine Fig. 2A entsprechende Ansicht einer
alternativen, zum Stand der Technik gehörenden
einteiligen Düsenausführung für eine Niedrigstromanwendung,
wobei ein zylindrischer
Keramikschirm verwendet wird;
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Fig. 3A zeigt in einem vertikalen Schnitt eine Ansicht
eines scharfzeichnenden wasser- und luftgekühlten
Plasmalichtbogenschweißbrenners, die die
Plasmagas- und Sekundärgaskanäle zeigt;
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Fig. 3B zeigt in einem vertikalen Schnitt eine Ansicht
eines scharfzeichnenden wasser- und luftgekühlten
Plasmaschweißbrenners, die die Wasserkühlkanäle
zeigt;
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Fig. 3C zeigt in einem vertikalen Schnitt eine
detaillierte Ansicht der Düse und des
Austrittsöffnungsbereichs des in Fig. 3A gezeigten Schweißbrenners;
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Fig. 3D zeigt in einem Horizontalschnitt eine Ansicht des
in Fig. 3A gezeigten Wirbelringes;
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Fig. 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
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Figur. 5 zeigt ein Zeitsteuerungsdiagramm für die in Fig. 4
gezeigte Steuerschaltung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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Die Fig. 3A und 3B zeigen einen
Plasmalichtbogenschweißbrenner 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
Werkatück 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.
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Wie gezeigt, hat die Düse eine Konfiguration, die besonders
für einen scharfzeichnenden Schweißbrenner 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.
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Eine Gasquelle 42 liefert einen Plasmagasstrom durch eine
Primärgassteuerschaltung 44a (Fig. 4) an einen Plasmagaseinlaß
10a des Schweißbrenners Z0. Eine Sekundärgasquelle 46
strömt durch eine Strömungssteuerschaltung 44b zu einem
Sekundärgaseinlaß 10b des Schweißbrenners. Das Sekundärgas
bei der gezeigten bevorzugten Form enthält eine Mischung aus
Gasen von beiden Quellen, wie näher unten beschrieben wird.
In dem Schweißbrenner 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.
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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.
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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 Auströmen 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.
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Bei dem scharfzeichnenden Schweißbrenner der Fig. 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 · 10&sup7; A/m² (25.000
Amp/Quadratzoll); bei einem hochdichten Plasma können die
Stromdichten bestimmt 1,24 · 10&sup8; 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 Schweißbrenner 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 Insulator 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 Kanl 47j zurück, der sich mit dem
zurücklaufenden Strom 45b an dem Loch 47k vereinigt, strömt
dann aus dem Schweißbrenner durch die Rohrleitung 19 aus,
die an dem Düsenblock 14 an der Öffnung 14c befestigt ist.
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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 72l, die
die Düse in einer parallelen Abstandsbeziehung spiegeln und
zusammen mit der Düse die Austrittsöffnung 72i bilden.
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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 Schweißbrenners 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 Schweißbrenners ist, es ersetzt werden
kann, ohne die gesamte Kappe 72 ersetzen zu müssen, wenn es
abgenutzt oder beschädigt wird.
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Nur zur Erläuterung aber nicht zur Beschränkung: Ein
Schweißbrenner 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).
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Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die Verwendung eines
Sekundärgases, das ist eine Mischung aus einem
nicht-oxidierenden Gas - wie Stickstoff, Argon, Helium oder irgendein
anderes Inertgas - und ein oxidierendes Gas, wie Sauerstoff
oder Luft, wobei das oxidierende Gas mindestens 40% der
Mischung umfaßt, gemessen an den Durchsätzen. Bei der
bevorzugten Form mit Sauerstoff als das Plasmagas ist das
Sekundäraas 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 Fig. 3A, 3B, 3C und 3D beschrieben wurde, ist
festgestellt worden, daß die Schnittgeschwindigkeit des
Schweißbrenners bei weichem unlegierten Stahl dramatisch
zunimmt. Außerdem ändert sich der Schnittwinkel von 1º bis
2º positiv mit einem Luftschirm auf ungefähr 100º oder im
großen und ganzen senkrecht zu dem Werkstück. Ferner kann
die Oberschlackenbildung bis zu einem Punkt eingeschränkt
werden, wo sie vernachlässigbar ist.
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Das genaue Strömungsverhältnis der Sauerstoff- und
Stickstoffströme, die das Sekundärgas bilden, kann empirisch
durch Schneiden mit dem Schweißbrenner 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 4º bis 5º für einen reinen Sauerstoffstrom. Auch die
Schnittfläche wird zunehmend rauher 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 Sauestoff-Sekundärstromes auf die Form des
Plasmadüsenstrahles 34 sehen.
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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 2º bis 3º positiv beträgt, eine
glatte Schnittfläche und eine leichte Zunahme der
Schlackenbildung, verglichen mit dem Schneiden ohne ein Schutzgas. Es
wurde festgestellt, daß man durch Ändern des Sauerstoff-
Stickstoff-Mischungsverhältnisses und des gesamten Sekundärgasstromes
den Schnittwinkel von ungefähr positiv 3º bis
negativ 3º 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
Schweißbrenners 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.
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Die sauerstoffreiche Sekundärgasmischung der vorliegenden
Erfindung verbessert auch die Durchstoßfähigkeiten des
Schweißbrenners 10. Ein durchgestoßenes Loch, das mit einem
sauerstoffreichen Sekundärgas gemäß der vorliegenden
Erfindung gemacht wurde, ist sauberer und kann größere
Blechdicken durchdringen als identische Schweißbrenner, die mit
unterschiedlichen Mischungen wie Luft arbeiten.
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Fig. 4 zeigt die Gasstromsteuerschaltung 44, die den
Plasmastrom und den Sekundärgasstrom von den Quellen 42 bzw. 46 zu
den Einlässen 10a bzw. 10b des Schweißbrenners 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.
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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.
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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 Sauestoffsekundärgasleitung 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
Schweißbrenner verbunden ist. Der Ausgang der Sauerstoff- und
Stickstoffsekundärgasleitungen werden daher zu einem
einzelnen Strom zu dem Schweißbrenner zusammengefaßt.
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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.
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Ein ähnliches Entlüftungsventil SV13 ist auch in die Leitung
80 geschaltet, aber an dem Schweißbrenner. 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
Schweißbrenner 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.
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Während des Durchstoßens sind die Vorstromventile geöffnet,
wobei die Betriebsventile und das Schnelladungsventil
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 · 10&sup4; m³/s (120
Standardkubikfuß/h) und 0,2 · 10&sup4; 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 Fig. 5
dargestellt ist.
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Fig. 5 zeigt den Betriebszustand aller Ventile in der
Schaltung 44 während eines vollen Betriebszyklusses des
Schweißbrenners 10, von t&sub0;, wenn ein Startsignal an das System von
einer Bedienungsperson gegeben wird, bis zu einem
vollständigen Abstellen des Lichtbogenstromes und der Gasströme am
Ende von t&sub6;. Fig. 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.
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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 t&sub1; für das Plasmagas und in der
Zeit t&sub2; 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.
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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 Fig. 5 gezeigt, werden
Hochspannungsspitzen 91 bei einer hohen Frequenz an den
Schweißbrenner 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.
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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 Schweißbrenner 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 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 Schweißbrenners. 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.
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Nach ungefähr 50 ms nach dem Beginn des Übergangs des
Plasmagases wird das Schnellaufladungsventil SV3 während einer
Zeit t&sub2; 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 t&sub3; nach dem Übergang werden die
beiden Schutzleitungsentlüftungsventile SV12 und SV14
während einer Zeit t&sub4;, 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 Schweißbrenners 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 t&sub6; wird der Lichtbogenstrom linear nach unten gefahren.
Am Ende von t&sub6; 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.
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Die Erfindung schafft einen sauerstoffreichen
Sekundärgasstrom für den Vorstrom beim Durchstoßen und dem
Betriebsstrom, der einen erheblich schnelleren und qualitativ
höheren Schnitt als der bisher mit abgeschirmten Schweißbrenner
oder scharfzeichnenden Schweißbrennern erzielbar war,
erzeugt.
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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.