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EP4193811B1 - Electrode for a plasma cutting torch, plasma cutting torch method for plasma cutting with the same - Google Patents

Electrode for a plasma cutting torch, plasma cutting torch method for plasma cutting with the same

Info

Publication number
EP4193811B1
EP4193811B1 EP21798270.1A EP21798270A EP4193811B1 EP 4193811 B1 EP4193811 B1 EP 4193811B1 EP 21798270 A EP21798270 A EP 21798270A EP 4193811 B1 EP4193811 B1 EP 4193811B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
nozzle
plasma cutting
emission insert
plasma
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP21798270.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP4193811C0 (en
EP4193811A1 (en
Inventor
Vadim GÜNTHER
Frank Laurisch
Volker Krink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kjellberg Stiftung
Original Assignee
Kjellberg Stiftung
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kjellberg Stiftung filed Critical Kjellberg Stiftung
Priority to EP25191433.9A priority Critical patent/EP4618698A2/en
Publication of EP4193811A1 publication Critical patent/EP4193811A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP4193811C0 publication Critical patent/EP4193811C0/en
Publication of EP4193811B1 publication Critical patent/EP4193811B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478—Geometrical details
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3425—Melting or consuming electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3442—Cathodes with inserted tip

Definitions

  • the present invention relates to electrodes for a, in particular liquid-cooled, plasma cutting torch as well as to plasma cutting torches with the same and methods for plasma cutting.
  • Plasma cutting torches are used for plasma cutting of metals. They typically consist essentially of a torch body, an electrode, a nozzle, and a holder. Modern plasma torches and plasma cutting torches also have a nozzle protection cap mounted over the nozzle. A nozzle is often secured with a nozzle cap.
  • the components subject to wear during operation of the plasma cutting torch due to the high thermal stress caused by the arc include, in particular, the electrode, the nozzle, the nozzle cap, the nozzle protection cap, the nozzle protection cap holder, and the plasma gas guide and secondary gas guide components. These components can be easily replaced by an operator and are therefore considered wear parts.
  • the plasma cutting torches are connected via cables to a power source and a gas supply that feeds the plasma cutting torch. Furthermore, the plasma cutting torch can be connected to a cooling device for a cooling medium, such as a coolant.
  • Plasma cutting torches are subject to high thermal stresses. This is caused by the strong constriction of the plasma jet by the nozzle bore. Small bores are used here to generate high current densities of 50 to 150 A/ mm2 in the nozzle bore, high energy densities of approximately 2x103 W/ cm2 , and high temperatures of up to 30,000 K. Furthermore, higher gas pressures, typically up to 12 bar, are used in plasma cutting torches. The combination of high temperature and high kinetic energy of the plasma gas flowing through the nozzle bore leads to the melting of the workpiece and the expulsion of the molten material. A kerf is created, and the workpiece is severed.
  • nitrogen or nitrogen-containing gas mixtures are often used as the plasma gas to cut high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals, or non-ferrous metal alloys, such as aluminum or an aluminum-magnesium alloy.
  • nitrogen or nitrogen-containing gas mixtures are often used as the plasma gas to cut high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals, or non-ferrous metal alloys, such as aluminum or an aluminum-magnesium alloy.
  • a plasma gas flows between the electrode and the nozzle.
  • the plasma gas is guided through a gas guide (plasma gas guide).
  • plasma gas guide This allows the plasma gas to be directed in a targeted manner. It is often set in rotation around the electrode by a radial and/or axial offset of the openings in the plasma gas guide.
  • the plasma gas guide is made of electrically insulating material because the electrode and nozzle must be electrically insulated from each other. This is necessary because the electrode and nozzle have different electrical potentials during operation of the plasma cutting torch.
  • an arc is generated between the electrode and the nozzle and/or the workpiece, which ionizes the plasma gas.
  • a high voltage can be applied between the electrode and nozzle. This pre-ionizes the path between the electrode and the nozzle and thus forms an arc.
  • the arc burning between the electrode and nozzle is also called the pilot arc.
  • the pilot arc exits through the nozzle bore and strikes the workpiece, ionizing the path to the workpiece. This allows the arc to form between the electrode and the workpiece. This arc is also called the main arc.
  • the pilot arc can be switched off during the main arc. However, it can also continue to operate. In plasma cutting, this is often switched off to avoid placing additional strain on the nozzle.
  • the electrode and nozzle are subject to high thermal stress and require cooling. At the same time, they must also conduct the electrical current required to form the arc. Therefore, materials with good thermal and electrical conductivity are used, usually metals such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron, or alloys containing at least one of these metals.
  • the electrode often consists of an electrode holder and an emissive insert made of a material with a high melting temperature (> 3000°C). Tungsten is used as the material for the emissive insert when using non-oxidizing plasma gases such as argon, hydrogen, nitrogen, helium, and mixtures thereof.
  • the high-temperature material can be pressed into an electrode holder made of a material with good thermal and electrical conductivity, for example, using positive and/or frictional engagement.
  • the electrode and nozzle can be cooled by gas, such as plasma gas or a secondary gas flowing along the outside of the nozzle.
  • gas such as plasma gas or a secondary gas flowing along the outside of the nozzle.
  • cooling with a liquid such as water, is more effective.
  • the electrode and/or nozzle are often cooled directly with the liquid, meaning the liquid is in direct contact with the electrode and/or nozzle.
  • a nozzle cap is located around the nozzle. Its inner surface, together with the outer surface of the nozzle, forms a coolant chamber through which the coolant flows.
  • Modern plasma cutting torches also have a nozzle protection cap outside the nozzle and/or nozzle cap.
  • the inner surface of the nozzle protection cap and the outer surface of the nozzle or nozzle cap form a space through which a secondary or shielding gas flows.
  • the secondary or shielding gas exits the bore of the nozzle protection cap and envelops the plasma jet, creating a defined atmosphere around it.
  • the secondary gas also protects the nozzle and nozzle protection cap from arcs that can form between the nozzle and the workpiece. These are known as double arcs and can damage the nozzle.
  • the nozzle and nozzle protection cap are subjected to significant stress from hot material splashing up.
  • the secondary gas whose volume flow during piercing may be higher than that during cutting, keeps the splashing material away from the nozzle and nozzle protection cap, thus protecting them from damage.
  • the nozzle protection cap is also subject to high thermal stress and requires cooling. Therefore, materials with good thermal and electrical conductivity are used for it, usually metals such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron, or alloys containing at least one of these metals.
  • the electrode and nozzle can also be cooled indirectly.
  • they are in contact with a component made of a material that conducts heat and electricity well, usually a metal such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron, or alloys containing at least one of these metals.
  • This component is cooled directly, meaning it is in direct contact with the usually flowing coolant.
  • These components can simultaneously serve as a holder or receptacle for the electrode, nozzle, nozzle cap, or nozzle protection cap, dissipating heat and supplying current.
  • the nozzle cap is usually cooled solely by the secondary gas. Arrangements are also known in which the secondary gas cap is cooled directly or indirectly by a cooling liquid.
  • Plasma torches, and especially plasma cutting torches, are subject to high levels of wear and tear due to the high energy density and high temperatures involved. This particularly applies to the electrode.
  • the lifetime is often too short. Furthermore, there are often large fluctuations in lifetime.
  • High cutting quality and cutting speed are achieved when cutting high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals, or non-ferrous metal alloys by using so-called point electrodes.
  • the emissive insert protrudes from the electrode holder and is pointed at the front.
  • a long service life and good cutting quality are also achieved for workpiece thicknesses of 6 mm and above.
  • the cutting quality can be improved by using nitrogen, argon-nitrogen, nitrogen-hydrogen or argon-hydrogen-nitrogen mixtures.
  • the emissive insert wears during operation, i.e., when the arc or plasma jet is burning. It gradually burns back, and the portion protruding from the electrode holder shortens. As the burnback increases, the cut quality deteriorates significantly. Especially when cutting high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals, or non-ferrous metal alloys, this leads to a larger perpendicularity and inclination tolerance of the cutting surface according to DIN ISO 9013, the formation of dross on the underside of the material being cut, and increased roughness of the cutting surface.
  • the cut quality is usually no longer acceptable. If it burns back even further, for example, more than 2 mm, the arc transfers from the emissive insert to the electrode holder, causing the entire electrode to suddenly fail. This also destroys the nozzle. It can even destroy the entire torch.
  • tungsten electrodes with rare earth oxides to increase their service life and improve the ignitability of the arc.
  • rare earth oxides examples include lanthanum, thorium, or cerium oxide. This is known for applications using argon as the gas. If such electrodes are used with nitrogen, their service life decreases rapidly.
  • US 2 922 028 A discloses an electrode for a plasma cutting torch, comprising an electrode holder and an emission insert, which are connected to one another in a force-fitting, form-fitting and/or material-fitting manner, wherein the emission insert consists of an alloy of tungsten and zirconium oxide.
  • the aim of the invention is to achieve a high cutting speed, high cutting quality, and a long service life, at least for the electrode, during plasma cutting.
  • this object is achieved according to a first aspect by an electrode according to claim 1.
  • this object is achieved by a plasma cutting torch comprising an electrode according to one of claims 1 to 14, as well as a nozzle and/or a nozzle protection cap and/or a plasma gas guide.
  • this object is achieved by a method for plasma cutting using a plasma cutting torch according to one of claims 15 to 17, wherein the plasma cutting torch (1) is operated with nitrogen or a gas mixture with nitrogen as the plasma gas.
  • the proportion of zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide is at least 0.1%, better at least 0.3% of the volume or mass of the alloy of the emission insert.
  • the proportion of zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide is a maximum of 5%, preferably a maximum of 2% of the volume or mass of the alloy of the emission insert.
  • the proportion of tungsten is at least 95%, better at least 98%, and most preferably 99% of the volume or mass of the alloy of the emission insert.
  • the electrode has a front end and a rear end, extends along a longitudinal axis L and the emission insert is located at the front end.
  • a part of the emission insert may protrude or protrude from the electrode holder towards the front end of the electrode.
  • the emission insert protruding or projecting from the electrode holder has a section tapering towards the front end, preferably conically.
  • an outer surface of the preferably conically tapered section extending towards the front end along the longitudinal axis L forms an angle ( ⁇ ) of 15° to 30°, preferably of 20° to 25°, between the outer surface and the longitudinal axis L.
  • the electrode holder may have a tapered, preferably conical, section towards the front end.
  • an outer surface of the preferably conically tapered section extending towards the front end along the longitudinal axis L forms an angle ⁇ of 15° to 30°, preferably of 20° to 25°, between the outer surface and the longitudinal axis L.
  • angles ⁇ and ⁇ should have a difference of no more than 10°, better of no more than 5°, and ideally they should be equal.
  • the emission insert at the front end of the electrode has a circular area with a diameter D3 of maximum 1.5 mm, preferably maximum 1.0 mm, most preferably maximum 0.6 mm.
  • the emission insert has a circular area at the front end of the electrode, which has a diameter D3 of at least 0.2 mm, better of at least 0.4 mm.
  • the area at the front end of the electrode can also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously a maximum of 1.8 mm2 , preferably a maximum of 0.8 mm2 , ideally a maximum of 0.3 mm2 , and/or a minimum of 0.05 mm2 , preferably a minimum of 0.1 mm2 .
  • the emission insert has a largest outer diameter D2 and the electrode holder has a smallest outer diameter D1, the difference between D1 and D2 being between 0.2 mm and 1 mm.
  • angles between the outer surface of the conical section of the electrode and the longitudinal axis L and the inner surface of the nozzle opposite the outer surface and the longitudinal axis L have a difference of a maximum of 10°, better of a maximum of 5°, even better are the same.
  • the plasma cutting torch can be designed so that the distance L1 between the front end of the electrode and a rear end of the nozzle channel is: L1 ⁇ 1.5 mm, better L1 ⁇ 1 mm and/or L1 ⁇ 1.5 * D4, better L1 ⁇ 1.0 * D4, with D4 being the smallest diameter of the nozzle channel.
  • the plasma gas mixture may consist of nitrogen and argon or of nitrogen and hydrogen or of nitrogen and argon and hydrogen.
  • the plasma cutting torch is operated with nitrogen or a gas mixture with nitrogen or air or a gas mixture with air as secondary gas.
  • the secondary gas mixture consists of nitrogen and argon or of nitrogen and hydrogen or of nitrogen and argon and hydrogen or of air and argon or of air and nitrogen.
  • At least 30%, better 50% and most preferably 75% of the volume of the plasma gas and/or the secondary gas consists of nitrogen or air.
  • At least the electrode and/or the nozzle and/or the nozzle protection cap is/are cooled with a liquid medium.
  • the workpiece to be cut can be made of a high-alloy steel, a stainless steel or a non-ferrous metal or a non-ferrous metal alloy.
  • the non-ferrous metal may consist at least partially of aluminum, copper, titanium, zinc or tin.
  • the present invention is based on the surprising finding that the materials used and/or the structural design of the electrode achieve a long service life and high cutting quality even over a long period of time when using a nitrogen-containing plasma gas or mixture in a plasma torch, in particular when cutting high-alloy steel, stainless steel or a non-ferrous metal/alloy.
  • FIGS. 1 and 2 show sectional views through plasma cutting torch heads according to particular embodiments of the present invention, in which an electrode according to a particular embodiment of the present invention and an arrangement of electrode and nozzle according to a particular embodiment of the present invention have been used.
  • FIGS. 3 , 4 and 5 show details of the plasma cutting torch heads of the Figures 1 and 2 contained electrode.
  • FIG. 6 shows a sectional view of an electrode according to another particular embodiment of the invention
  • Figure 7 shows a sectional view of the Figures 1 , 2 and 3 to 5 electrode shown.
  • the plasma cutting torch head 1 shown comprises an electrode 7, a nozzle 4, and a plasma gas supply 3 for plasma gas PG.
  • the plasma cutting torch head according to a particular embodiment of the present invention extends along the longitudinal axis L and has a front end 14 and a rear end 15.
  • the electrode 7 is screwed into an electrode holder 6 by means of a thread and is cooled from the inside with a cooling medium which is supplied via the interior of a cooling tube 11 as coolant flow WV1 and is returned to a space 13 formed between the exterior of the cooling tube 11 and the electrode holder 6 as coolant return WR1.
  • the nozzle 4 is held by a nozzle cap 2. Between the nozzle 4 and the nozzle cap 2, a cooling medium flows in a space 10, which is fed in via the coolant supply line WV2 and returned via the coolant return line WR2.
  • a nozzle protection cap 9 encloses the nozzle 4 and the nozzle cap 2. Secondary gas SG flows between them through a secondary gas guide 9.1, which simultaneously isolates the nozzle protection cap 9 from the nozzle cap 2 and keeps them at a distance.
  • the secondary gas guide 9.1 can, for example, be designed to rotate the secondary gas SG.
  • the nozzle protection cap 9 is secured by a nozzle protection cap holder 8, which is threadedly attached to the plasma torch head.
  • the nozzle 4 has in its interior, as seen from the front end 14, a nozzle channel 4.1 and a conically widening chamber 4.3.
  • the inner surface of the space 4.2 of the nozzle 4 runs parallel to a conical outer surface 7.1.3 of a section 7.1.1 of the electrode 7. This ensures a good plasma gas flow in the remaining space between the nozzle 4 and the electrode 7.
  • the diameter D4 of the nozzle channel 4.1 is 1.2 mm in both figures, for example.
  • the front surface 7.2.4 of the emission insert can also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously a maximum of 1.8 mm 2 , preferably a maximum of 0.8 mm 2 , ideally a maximum of 0.3 mm 2 , and/or a minimum of 0.05 mm 2 , preferably a minimum of 0.1 mm 2 .
  • “Very close” generally means the following: L1 ⁇ 1.5 mm, better L1 ⁇ 1 mm and/or L1 ⁇ 1.5 *D4, better L1 ⁇ 1.0 * D4, with D4 being the smallest diameter of the nozzle channel.
  • a plasma gas guide part 3.1 is mounted between the electrode 7 and the nozzle 4. This guide part isolates the electrode 7 and the nozzle 4 from each other and allows the plasma gas PG to flow into the nozzle interior through openings.
  • the plasma gas PG can be set in rotation by radially offsetting the openings relative to the longitudinal axis L or by inclining the openings relative to the longitudinal axis L.
  • the electrode 7 consists of an electrode holder 7.1 and an emission insert 7.2. In one embodiment, however, it can also consist of more components.
  • the emission insert 7.2 is secured in the electrode holder 7.1. This is done by force-fitting, form-fitting, or material-fitting means.
  • the electrode holder 7.1 can be water-cooled, with a hollow interior through which the cooling medium flows.
  • the electrode holder 7.1 is made of a material with good thermal and electrical conductivity, e.g., copper or silver or an alloy thereof.
  • the thermal conductivity is >300W/(m*K), for example, silver 429W/(m*K), copper 398W/(m*K).
  • the electrical conductivity is advantageously more than 10 7 S/m (for example, silver 61*10 6 S/m, copper 58*10 6 S/m).
  • an alloy of tungsten and zirconium oxide is used.
  • the tungsten content is 99.3% and the zirconium oxide content is 0.3% of the alloy's mass.
  • the remaining portion to 100% of the mass in this example consists of copper, which accounts for 0.15% of the total mass.
  • the plasma cutting torch head 1 shown differs from the one shown in Figure 1 shown plasma cutting torch head in the inner contour of the nozzle.
  • the nozzle 4 has in its interior, seen from the front end 14, a cylindrical nozzle channel 4.1, a further essentially cylindrical chamber 4.2 and a conically widening chamber 4.3.
  • essentially cylindrical is meant that the cylindrical inner surface of this chamber 4.3 is larger than the inner surface of the smaller conical section shown here directly at the nozzle channel 4.1.
  • the inner surface of the chamber 4.3 of the nozzle 4 runs parallel to the outer surface 7.1.3 of section 7.1.1 of the electrode 7. This ensures good plasma gas flow in the remaining space between the nozzle 4 and the electrode 7.
  • the front circular surface 7.2.4 of the emission insert 7.2. comes very close to the end of nozzle channel 4.1.
  • the length L1 here is, for example, 1.2 mm.
  • the diameter D4 of nozzle channel 4.1 is, for example,
  • the front surface 7.2.4 of the emission insert may also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously a maximum of 1.8 mm2 , preferably a maximum of 0.8 mm2 , preferably a maximum of 0.3 mm2 , and/or a minimum of 0.05 mm2 , preferably a minimum of 0.1 mm2 .
  • the Figures 3 , 4 and 5 show in more detail the structure of the electrode of Figures 1 and 2 .
  • the Figures 3 , 4 and 5 show the electrode 7, which extends along a longitudinal axis L and has a front end 7.4 and a rear end 7.3.
  • the electrode consists of the electrode holder 7.1 and the emission insert 7.2, which is pressed into the electrode holder 7.1 with its rear section 7.2.1 and is thus connected in a force-locking manner.
  • the electrode holder 7.1 has a rear section 7.1.2, which is designed here, for example, with a thread and can be screwed into the electrode holder 6 of the plasma cutting torch head.
  • the electrode holder 7.2 has a conically tapered section 7.1.1 with an outer surface 7.1.3 towards the front end 7.4 of the electrode 7. At the front end is a circular surface with a diameter D1.
  • An angle ⁇ enclosed by the outer surface 7.1.3 of the conical section 7.1.1 of the electrode holder 7.1 and the longitudinal axis L is, for example, 23° here.
  • the emission insert 7.2 has a rear section 7.2.1 projecting into the electrode holder 7.1 and a section projecting from the electrode holder 7.1, which has a cylindrical section 7.2.2 with the diameter D2 and a conically tapered section 7.2.3 with an outer surface 7.2.5.
  • the diameter D1 is 2.0 mm, for example.
  • the diameter D1 is 2.5 mm, for example.
  • the difference between D1 and D2 is 0.25 mm.
  • the small difference ensures that the pressure in the space between the nozzle 4 and the electrode 7 (as shown in the Figures 1 and 2
  • the plasma gas PG flowing through the plasma chamber (shown) is disturbed as little as possible and flows as evenly and homogeneously as possible. This ensures good cutting quality.
  • the emission insert 7.2 has a circular area 7.2.4 towards the front end 14, which has a diameter D3 of, for example, 0.4 mm (see Figure 4 ).
  • An angle ⁇ enclosed by the outer surface 7.2.5 of the conical section 7.2.3 of the emission insert 7.2 and the longitudinal axis L is, for example, 23°.
  • the angles ⁇ and ⁇ of the conically tapered sections of the electrode holder 7.1 and the emission insert 7.2 are of equal size.
  • the front surface 7.2.4 of the emission insert may also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously a maximum of 1.8 mm2 , preferably a maximum of 0.8 mm2 , preferably a maximum of 0.3 mm2 , and/or a minimum of 0.05 mm2 , preferably a minimum of 0.1 mm2 .
  • the diameter D3 here, for example, is 0.4 mm. This ensures that the electrode's service life is sufficiently long, even during plasma cutting with a nitrogen-containing plasma gas, while remaining sufficiently centered thanks to the relatively small circular area 7.2.4. This ensures a long service life and good cutting quality. Since the diameter D3 in this example is 0.4 mm, the circular area 7.2.4 is 0.125 mm2 .
  • the Figure 6 shows an electrode 7, which is different from the one in the Figures 3 to 5 shown embodiments in that the interior is of exemplary solid construction.
  • the Figure 7 shows the electrode again Figure 1
  • the electrode has a cavity 7.12 inside, which extends from the rear end 7.3 towards the front end.
  • cooling is much more effective than with an electrode according to Figure 6 because the coolant passes through, as in Figure 1 and 2 described, a cooling tube in close to the emission insert. This also increases the service life of the electrode, especially that of the emission insert.
  • the described electrodes 7 and the described plasma cutting torch 1 are used according to the invention for plasma cutting with a nitrogen-containing plasma gas. This is particularly advantageous for plasma cutting workpieces made of high-alloy steel, stainless steel, or a non-ferrous metal or non-ferrous metal alloy. However, it is also possible to cut structural steel.
  • an electrode 7 with an electrode holder 7.1 and an emission insert 7.2 ensures a long service life and good cutting quality.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektroden für einen, insbesondere flüssigkeitsgekühlten, Plasmaschneidbrenner sowie, Plasmaschneidbrenner mit denselben und Verfahren zum Plasmaschneiden.The present invention relates to electrodes for a, in particular liquid-cooled, plasma cutting torch as well as to plasma cutting torches with the same and methods for plasma cutting.

Plasmaschneidbrenner werden zum Plasmaschneiden von Metallen eingesetzt. Sie bestehen üblicherweise im Wesentlichen aus einem Brennerkörper, einer Elektrode, einer Düse und einer Halterung dafür. Moderne Plasmabrenner und Plasmaschneidbrenner verfügen zusätzlich über eine über der Düse angebrachte Düsenschutzkappe. Oft wird eine Düse mittels einer Düsenkappe fixiert.Plasma cutting torches are used for plasma cutting of metals. They typically consist essentially of a torch body, an electrode, a nozzle, and a holder. Modern plasma torches and plasma cutting torches also have a nozzle protection cap mounted over the nozzle. A nozzle is often secured with a nozzle cap.

Die durch den Betrieb des Plasmaschneidbrenners infolge der durch den Lichtbogen verursachten hohen thermischen Belastung verschleißenden Bauteile sind je nach Plasmaschneidbrennertyp insbesondere die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe, die Düsenschutzkappe, die Düsenschutzkappenhalterung und die Plasmagasführungs- und Sekundärgasführungsteile. Diese Bauteile können durch einen Bediener leicht gewechselt und somit als Verschleißteile bezeichnet werden.Depending on the plasma cutting torch type, the components subject to wear during operation of the plasma cutting torch due to the high thermal stress caused by the arc include, in particular, the electrode, the nozzle, the nozzle cap, the nozzle protection cap, the nozzle protection cap holder, and the plasma gas guide and secondary gas guide components. These components can be easily replaced by an operator and are therefore considered wear parts.

Die Plasmaschneidbrenner sind über Leitungen an eine Stromquelle und eine Gasversorgung angeschlossen, die den Plasmaschneidbrenner versorgen. Weiterhin kann der Plasmaschneidbrenner an einer Kühleinrichtung für ein Kühlmedium, wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit, angeschlossen sein.The plasma cutting torches are connected via cables to a power source and a gas supply that feeds the plasma cutting torch. Furthermore, the plasma cutting torch can be connected to a cooling device for a cooling medium, such as a coolant.

Bei Plasmaschneidbrennern treten hohe thermische Belastungen auf. Das hat seine Ursache in der starken Einschnürung des Plasmastrahls durch die Düsenbohrung. Hier werden kleine Bohrungen verwendet, damit hohe Stromdichten von 50 bis 150 A/mm2 in der Düsenbohrung, hohe Energiedichten von ca. 2x106 W/cm2 und hohe Temperaturen von bis zu 30.000 K erzeugt werden. Weiterhin werden im Plasmaschneidbrenner höhere Gasdrücke, in der Regel bis zu 12 bar, verwendet. Die Kombination aus hoher Temperatur und großer kinetischer Energie des durch die Düsenbohrung strömenden Plasmagases führen zum Aufschmelzen des Werkstücks und zum Austreiben der Schmelze. Es entsteht eine Schnittfuge und das Werkstück wird getrennt.Plasma cutting torches are subject to high thermal stresses. This is caused by the strong constriction of the plasma jet by the nozzle bore. Small bores are used here to generate high current densities of 50 to 150 A/ mm² in the nozzle bore, high energy densities of approximately 2x10³ W/ cm² , and high temperatures of up to 30,000 K. Furthermore, higher gas pressures, typically up to 12 bar, are used in plasma cutting torches. The combination of high temperature and high kinetic energy of the plasma gas flowing through the nozzle bore leads to the melting of the workpiece and the expulsion of the molten material. A kerf is created, and the workpiece is severed.

Beim Plasmaschneiden werden oft Stickstoff oder stickstoffhaltige Gasgemische als Plasmagas eingesetzt, um hochlegierten Stahl, nichtrostenden Stahl, Nichteisenmetalle oder Nichteisenmetalllegierungen, wie z. B. Aluminium oder eine Aluminium-Magnesium-Legierung zu schneiden. Es ist aber auch möglich, mit Stickstoff oder stickstoffhaltigen Gasgemischen niedrig- und unlegierte, also sogenannte Baustähle, zu schneiden.In plasma cutting, nitrogen or nitrogen-containing gas mixtures are often used as the plasma gas to cut high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals, or non-ferrous metal alloys, such as aluminum or an aluminum-magnesium alloy. However, it is also possible to cut low-alloy and unalloyed steels, so-called structural steels, using nitrogen or nitrogen-containing gas mixtures.

Zwischen der Elektrode und der Düse strömt ein Plasmagas. Das Plasmagas wird durch ein Gasführungsteil (Plasmagasführungsteil) geführt. Dadurch kann das Plasmagas gezielt gerichtet werden. Oftmals ist es durch einen radialen und/oder axialen Versatz der Öffnungen in dem Plasmagasführungsteil in Rotation um die Elektrode versetzt. Das Plasmagasführungsteil besteht aus elektrisch isolierendem Material, da die Elektrode und die Düse voneinander elektrisch isoliert sein müssen. Dies ist notwendig, da die Elektrode und die Düse unterschiedliche elektrische Potentiale während des Betriebs des Plasmaschneidbrenners haben. Zum Betreiben des Plasmaschneidbrenners wird ein Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Düse und/oder dem Werkstück erzeugt, der das Plasmagas ionisiert. Zum Zünden des Lichtbogens kann eine Hochspannung zwischen der Elektrode und Düse angelegt werden, die für eine Vorionisation der Strecke zwischen der Elektrode und der Düse und somit für die Ausbildung eines Lichtbogens sorgt. Der zwischen Elektrode und Düse brennende Lichtbogen wird auch als Pilotlichtbogen bezeichnet.A plasma gas flows between the electrode and the nozzle. The plasma gas is guided through a gas guide (plasma gas guide). This allows the plasma gas to be directed in a targeted manner. It is often set in rotation around the electrode by a radial and/or axial offset of the openings in the plasma gas guide. The plasma gas guide is made of electrically insulating material because the electrode and nozzle must be electrically insulated from each other. This is necessary because the electrode and nozzle have different electrical potentials during operation of the plasma cutting torch. To operate the plasma cutting torch, an arc is generated between the electrode and the nozzle and/or the workpiece, which ionizes the plasma gas. To ignite the arc, a high voltage can be applied between the electrode and nozzle. This pre-ionizes the path between the electrode and the nozzle and thus forms an arc. The arc burning between the electrode and nozzle is also called the pilot arc.

Der Pilotlichtbogen tritt durch die Düsenbohrung aus und trifft auf das Werkstück und ionisiert die Strecke zum Werkstück. Dadurch kann sich der Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück ausbilden. Dieser Lichtbogen wird auch als Hauptlichtbogen bezeichnet. Während des Hauptlichtbogens kann der Pilotlichtbogen abgeschaltet werden. Er kann aber auch weiterbetrieben werden. Beim Plasmaschneiden wird dieser oft abgeschaltet, um die Düse nicht noch zusätzlich zu belasten.The pilot arc exits through the nozzle bore and strikes the workpiece, ionizing the path to the workpiece. This allows the arc to form between the electrode and the workpiece. This arc is also called the main arc. The pilot arc can be switched off during the main arc. However, it can also continue to operate. In plasma cutting, this is often switched off to avoid placing additional strain on the nozzle.

Insbesondere die Elektrode und die Düse werden thermisch hoch beansprucht und müssen gekühlt werden. Zugleich müssen sie auch den elektrischen Strom, der zur Ausbildung des Lichtbogens benötigt wird, leiten. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.The electrode and nozzle, in particular, are subject to high thermal stress and require cooling. At the same time, they must also conduct the electrical current required to form the arc. Therefore, materials with good thermal and electrical conductivity are used, usually metals such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron, or alloys containing at least one of these metals.

Die Elektrode besteht oft aus einem Elektrodenhalter und einem Emissionseinsatz, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, der eine hohe Schmelztemperatur (> 3000°C) aufweist. Als Werkstoffe für den Emissionseinsatz wird beim Einsatz nicht oxidierender Plasmagase, wie bspw. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium und Gemische derselben, Wolfram eingesetzt. Der Hochtemperaturwerkstoff kann in einen Elektrodenhalter, der aus gut Wärme und elektrisch gut leitendem Werkstoff besteht, zum Beispiel mit Form- und/oder Kraftschluss eingepresst werden.The electrode often consists of an electrode holder and an emissive insert made of a material with a high melting temperature (> 3000°C). Tungsten is used as the material for the emissive insert when using non-oxidizing plasma gases such as argon, hydrogen, nitrogen, helium, and mixtures thereof. The high-temperature material can be pressed into an electrode holder made of a material with good thermal and electrical conductivity, for example, using positive and/or frictional engagement.

Die Kühlung der Elektrode und Düse kann durch Gas, zum Beispiel das Plasmagas oder ein Sekundärgas, das an der Außenseite der Düse entlangströmt, erfolgen. Effektiver ist jedoch die Kühlung mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser. Dabei werden die Elektrode und/oder die Düse oft direkt mit der Flüssigkeit gekühlt, d. h. die Flüssigkeit befindet sich in direktem Kontakt mit der Elektrode und/oder der Düse. Um die Kühlflüssigkeit um die Düse zu führen, befindet sich um die Düse eine Düsenkappe, deren Innenfläche mit der Außenfläche der Düse einen Kühlmittelraum bildet, in dem das Kühlmittel strömt.The electrode and nozzle can be cooled by gas, such as plasma gas or a secondary gas flowing along the outside of the nozzle. However, cooling with a liquid, such as water, is more effective. In this case, the electrode and/or nozzle are often cooled directly with the liquid, meaning the liquid is in direct contact with the electrode and/or nozzle. To guide the cooling liquid around the nozzle, a nozzle cap is located around the nozzle. Its inner surface, together with the outer surface of the nozzle, forms a coolant chamber through which the coolant flows.

Bei modernen Plasmaschneidbrennern befindet sich zusätzlich außerhalb der Düse und/oder der Düsenkappe eine Düsenschutzkappe. Die Innenfläche der Düsenschutzkappe und die Außenfläche der Düse oder der Düsenkappe bilden einen Raum, durch den ein Sekundär- oder Schutzgas strömt. Das Sekundär- oder Schutzgas tritt aus der Bohrung der Düsenschutzkappe aus und umhüllt den Plasmastrahl und sorgt für eine definierte Atmosphäre um denselben. Zusätzlich schützt das Sekundärgas die Düse und die Düsenschutzkappe vor Lichtbögen, die sich zwischen diesem und dem Werkstück ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse führen. Insbesondere beim Einstechen in das Werkstück werden die Düse und die Düsenschutzkappe durch heißes Hochspritzen von Material stark belastet. Das Sekundärgas, dessen Volumenstrom beim Einstechen gegenüber dem Wert beim Schneiden erhöht sein kann, hält das hochspritzende Material von der Düse und der Düsenschutzkappe fern und schützt so vor Beschädigung.Modern plasma cutting torches also have a nozzle protection cap outside the nozzle and/or nozzle cap. The inner surface of the nozzle protection cap and the outer surface of the nozzle or nozzle cap form a space through which a secondary or shielding gas flows. The secondary or shielding gas exits the bore of the nozzle protection cap and envelops the plasma jet, creating a defined atmosphere around it. The secondary gas also protects the nozzle and nozzle protection cap from arcs that can form between the nozzle and the workpiece. These are known as double arcs and can damage the nozzle. Especially when piercing the workpiece, the nozzle and nozzle protection cap are subjected to significant stress from hot material splashing up. The secondary gas, whose volume flow during piercing may be higher than that during cutting, keeps the splashing material away from the nozzle and nozzle protection cap, thus protecting them from damage.

Die Düsenschutzkappe wird ebenfalls thermisch hoch beansprucht und muss gekühlt werden. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Werkstoffe, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.The nozzle protection cap is also subject to high thermal stress and requires cooling. Therefore, materials with good thermal and electrical conductivity are used for it, usually metals such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron, or alloys containing at least one of these metals.

Die Elektrode und die Düse können auch indirekt gekühlt werden. Dabei stehen sie mit einem Bauteil, das aus einem gut Wärme und elektrisch gut leitendem Werkstoff, in der Regel ein Metall, zum Beispiel Kupfer, Silber, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, besteht, durch Berührung in Kontakt. Dieses Bauteil wird wiederum direkt gekühlt, d.h., dass es sich mit dem meist strömenden Kühlmittel direkt in Kontakt befindet. Diese Bauteile können gleichzeitig als Halterung oder Aufnahme für die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe oder die Düsenschutzkappe dienen und die Wärme ab- und den Strom zuführen.The electrode and nozzle can also be cooled indirectly. In this case, they are in contact with a component made of a material that conducts heat and electricity well, usually a metal such as copper, silver, aluminum, tin, zinc, iron, or alloys containing at least one of these metals. This component, in turn, is cooled directly, meaning it is in direct contact with the usually flowing coolant. These components can simultaneously serve as a holder or receptacle for the electrode, nozzle, nozzle cap, or nozzle protection cap, dissipating heat and supplying current.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass nur die Elektrode oder nur die Düse mit Flüssigkeit gekühlt wird.It is also possible that only the electrode or only the nozzle is cooled with liquid.

Die Düsenschutzkappe wird meist nur durch das Sekundärgas gekühlt. Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Sekundärgaskappe direkt oder indirekt durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt wird.The nozzle cap is usually cooled solely by the secondary gas. Arrangements are also known in which the secondary gas cap is cooled directly or indirectly by a cooling liquid.

Bei Plasmabrennern und insbesondere bei Plasmaschneidbrennern tritt aufgrund der der hohen Energiedichte und der hohen Temperaturen eine hohe Belastung der Verschleißteile auf. Dies betrifft insbesondere auch die Elektrode.Plasma torches, and especially plasma cutting torches, are subject to high levels of wear and tear due to the high energy density and high temperatures involved. This particularly applies to the electrode.

Die bisher bekannten Lösungen für die Elektrode, den Emissionseinsatz aus hochschmelzendem Material, wie z. B. Wolfram, in ein gut Wärme leitendes Material, wie z. B. Kupfer oder Silber, einzusetzen, erreichen oftmals nicht ausreichende Ergebnisse hinsichtlich der Lebensdauer und/oder der Schnittqualität.The previously known solutions for the electrode, which involve inserting the emission insert made of a high-melting material, such as tungsten, into a material with good thermal conductivity, such as copper or silver, often do not achieve sufficient results in terms of service life and/or cutting quality.

Besonders beim Einsatz von Stickstoff oder stickstoffhaltigen Gasgemischen als Plasmagas ist die Lebensdauer oft zu kurz. Zudem gibt es oftmals große Schwankungen bei der Lebensdauer.Especially when using nitrogen or nitrogen-containing gas mixtures as plasma gas, the lifetime is often too short. Furthermore, there are often large fluctuations in lifetime.

Eine hohe Schnittqualität und Schneidgeschwindigkeit wird beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen durch den Einsatz von sogenannten Spitzenelektroden erreicht. Hierbei ragt der Emissionseinsatz aus dem Elektrodenhalter heraus und ist vorn angespitzt ausgeführt. Beim Schneiden mit Argon-Wasserstoff-Gemisch wird dabei auch eine gute Lebensdauer und eine gute Schnittqualität bei Werkstückdicken ab 6 mm erzielt.High cutting quality and cutting speed are achieved when cutting high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals, or non-ferrous metal alloys by using so-called point electrodes. The emissive insert protrudes from the electrode holder and is pointed at the front. When cutting with an argon-hydrogen mixture, a long service life and good cutting quality are also achieved for workpiece thicknesses of 6 mm and above.

Bei geringeren Werkstückdicken treten größere Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranzen nach DIN ISO 9013 auf. Weiterhin kommt es zu verstärkter Bartbildung an der Werkstückunterkante.With smaller workpiece thicknesses, larger perpendicularity and inclination tolerances occur according to DIN ISO 9013. Furthermore, increased burr formation occurs on the lower edge of the workpiece.

Durch den Einsatz von Stickstoff, Argon-Stickstoff-, Stickstoff-Wasserstoff- oder Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch kann die Schnittqualität verbessert werden.The cutting quality can be improved by using nitrogen, argon-nitrogen, nitrogen-hydrogen or argon-hydrogen-nitrogen mixtures.

Allerdings sinkt die Lebensdauer der Elektrode selbst bei für das Plasmaschneiden relativ kleinen Strömen unter 100 A erheblich.However, the service life of the electrode decreases considerably, even at currents below 100 A, which are relatively small for plasma cutting.

Der Emissionseinsatz verschleißt während des Betriebes, also bei brennendem Lichtbogen oder Plasmastrahl. Nach und nach brennt er zurück und der aus dem Elektrodenhalter herausragende Teil verkürzt sich. Mit zunehmendem Rückbrand verschlechtert sich die Schnittqualität erheblich. Besonders beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen führt dies wiederum zu einer größeren Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz der Schnittfläche nach DIN ISO 9013, zur Bildung von Bartanhang an der Unterseite des zu schneidenden Materials und zu größerer Rauigkeit der Schnittfläche.The emissive insert wears during operation, i.e., when the arc or plasma jet is burning. It gradually burns back, and the portion protruding from the electrode holder shortens. As the burnback increases, the cut quality deteriorates significantly. Especially when cutting high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals, or non-ferrous metal alloys, this leads to a larger perpendicularity and inclination tolerance of the cutting surface according to DIN ISO 9013, the formation of dross on the underside of the material being cut, and increased roughness of the cutting surface.

Ist er weiter als 1 mm zurückgebrannt, ist die Schnittqualität meist nicht mehr akzeptabel. Brennt er noch weiter zurück, bspw. über 2 mm, kommt es zum Übersetzen des Lichtbogens vom Emissionseinsatz auf den Elektrodenhalter und zum plötzlichen Versagen der gesamten Elektrode. Es kommt dabei auch zur Zerstörung der Düse. Es kann sogar der gesamte Brenner zerstört werden.If it has burned back more than 1 mm, the cut quality is usually no longer acceptable. If it burns back even further, for example, more than 2 mm, the arc transfers from the emissive insert to the electrode holder, causing the entire electrode to suddenly fail. This also destroys the nozzle. It can even destroy the entire torch.

Es ist bekannt, Wolframelektroden mit Oxiden seltener Erden zu dotieren, um deren Lebensdauer zu erhöhen und die Zündwilligkeit des Lichtbogens zu verbessern. Dies sind beispielsweise Lanthan-, Thorium- oder Cer-Oxid. Dies ist für Anwendungen unter Verwendung von Argon als Gas bekannt. Werden solche Elektroden mit Stickstoff verwendet, sinkt die Lebensdauer rapide.It is known to dope tungsten electrodes with rare earth oxides to increase their service life and improve the ignitability of the arc. Examples include lanthanum, thorium, or cerium oxide. This is known for applications using argon as the gas. If such electrodes are used with nitrogen, their service life decreases rapidly.

Es ist auch bekannt, sogenannte Flachelektroden, bei denen der Emissionseinsatz nicht aus dem Elektrodenhalter herausragt, zu verwenden. Hier wird eine Verbesserung der Lebensdauer erreicht. Allerdings verringern sich die Schneidgeschwindigkeit und die Schnittqualität beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nichtrostendem Stahl, Nichteisenmetallen oder Nichteisenmetalllegierungen erheblich. Die längere Lebensdauer wird durch die bessere Kühlung des Emissionseinsatzes erreicht, da dieser bis zum Lichtbogenansatzpunkt, also seinem vorderen Ende, in den Elektrodenhalter eingesetzt ist. Die schlechtere Schnittqualität hat ihre Ursache vermutlich in den anderen oder auch schlechteren Strömungsverhältnissen für das Plasmagas, die eine sogenannte Flachelektrode in Kombination mit einer Düse ergibt.It is also known to use so-called flat electrodes, where the emission insert does not protrude from the electrode holder. This improves the service life. However, the cutting speed and cut quality are significantly reduced when cutting high-alloy steel, stainless steel, non-ferrous metals, or non-ferrous metal alloys. The longer service life is achieved through better cooling of the emission insert, as it is embedded in the electrode up to the arc starting point, i.e., its front end. The poorer cut quality is likely due to the different or even poorer flow conditions for the plasma gas that result from a so-called flat electrode in combination with a nozzle.

US 2 922 028 A offenbart eine Elektrode für einen Plasmaschneidbrenner, umfassend einen Elektrodenhalter und einen Emissionseinsatz, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei der Emissionseinsatz aus einer Legierung aus Wolfram und Zirconiumoxid besteht. US 2 922 028 A discloses an electrode for a plasma cutting torch, comprising an electrode holder and an emission insert, which are connected to one another in a force-fitting, form-fitting and/or material-fitting manner, wherein the emission insert consists of an alloy of tungsten and zirconium oxide.

US 2017/086284 A1 offenbart ebenfalls eine derartige Elektrode. US 2017/086284 A1 also discloses such an electrode.

US2019/306965 A1 , EP 0 727 922 A1 und SU 421 458 Al offenbaren weiteren Elektroden umfassend W und Zr oder ZrO, . US2019/306965 A1 , EP 0 727 922 A1 and SU 421 458 Al disclose further electrodes comprising W and Zr or ZrO, .

Ziel der Erfindung ist es, eine hohe Schneidgeschwindigkeit, eine hohe Schnittqualität und eine lange Lebensdauer zumindest der Elektrode beim Plasmaschneiden zu erreichen. | Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt durch eine Elektrode gemäß Anspruch 1 gelöst.The aim of the invention is to achieve a high cutting speed, high cutting quality, and a long service life, at least for the electrode, during plasma cutting. | According to the invention, this object is achieved according to a first aspect by an electrode according to claim 1.

Ferner wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch einen Plasmaschneidbrenner, umfassend eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 14 , sowie eine Düse und/oder eine Düsenschutzkappe und/oder eine Plasmagasführung.Furthermore, according to a second aspect, this object is achieved by a plasma cutting torch comprising an electrode according to one of claims 1 to 14, as well as a nozzle and/or a nozzle protection cap and/or a plasma gas guide.

Darüber hinaus wird diese Aufgabe gemäß einem dritten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zum Plasmaschneiden , unter Verwendung eines Plasmaschneidbrenners nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Plasmaschneidbrenner (1) mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff als Plasmagas betrieben wird.Furthermore, according to a third aspect, this object is achieved by a method for plasma cutting using a plasma cutting torch according to one of claims 15 to 17, wherein the plasma cutting torch (1) is operated with nitrogen or a gas mixture with nitrogen as the plasma gas.

Günstigerweise beträgt bei der Elektrode gemäß dem ersten Aspekt der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids minimal 0,1 %, besser minimal 0,3 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.Advantageously, in the electrode according to the first aspect, the proportion of zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide is at least 0.1%, better at least 0.3% of the volume or mass of the alloy of the emission insert.

Günstigerweise beträgt der Anteil des Zirkoniums und/oder Hafniums und/oder Zirconiumoxids und/oder Hafniumoxids maximal 5 %, besser maximal 2 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.Advantageously, the proportion of zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide is a maximum of 5%, preferably a maximum of 2% of the volume or mass of the alloy of the emission insert.

Vorteilhafterweise beträgt der Anteil des Wolframs mindestens 95 %, besser minimal 98 %, am besten 99 % des Volumens oder der Masse der Legierung des Emissionseinsatzes.Advantageously, the proportion of tungsten is at least 95%, better at least 98%, and most preferably 99% of the volume or mass of the alloy of the emission insert.

In einer besonderen Ausführungsform weist die Elektrode ein vorderes Ende und ein hinteres Ende auf, erstreckt sich entlang einer Längsachse L und befindet sich der Emissionseinsatz am vorderen Ende.In a particular embodiment, the electrode has a front end and a rear end, extends along a longitudinal axis L and the emission insert is located at the front end.

Ferner kann ein Teil des Emissionseinsatzes in Richtung des vorderen Endes der Elektrode aus dem Elektrodenhalter hervorstehen oder herausragen.Furthermore, a part of the emission insert may protrude or protrude from the electrode holder towards the front end of the electrode.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der aus dem Elektrodenhalter hervorstehende oder herausragende Emissionseinsatz einen sich in Richtung des vorderen Endes, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweist.In particular, it can be provided that the emission insert protruding or projecting from the electrode holder has a section tapering towards the front end, preferably conically.

Günstigerweise bildet eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel (β) von 15° bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L.Advantageously, an outer surface of the preferably conically tapered section extending towards the front end along the longitudinal axis L forms an angle (β) of 15° to 30°, preferably of 20° to 25°, between the outer surface and the longitudinal axis L.

Der Elektrodenhalter kann zum vorderen Ende einen sich verjüngenden, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitt aufweisen.The electrode holder may have a tapered, preferably conical, section towards the front end.

Zweckmäßigerweise bildet eine sich zum vorderen Ende hin entlang der Längsachse L erstreckende Außenfläche des sich, vorzugsweise konisch, verjüngenden Abschnitts einen Winkel α von 15° bis 30°, vorzugsweise von 20° bis 25°, zwischen der Außenfläche und der Längsachse L.Advantageously, an outer surface of the preferably conically tapered section extending towards the front end along the longitudinal axis L forms an angle α of 15° to 30°, preferably of 20° to 25°, between the outer surface and the longitudinal axis L.

Günstigerweise weisen die Winkel α und β einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° auf und sind am besten gleich groß.Ideally, the angles α and β should have a difference of no more than 10°, better of no more than 5°, and ideally they should be equal.

Günstigerweise weist der Emissionseinsatz am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche auf, die einen Durchmesser D3 von maximal 1,5 mm, besser maximal 1,0 mm, am besten von maximal 0,6 mm aufweist.Advantageously, the emission insert at the front end of the electrode has a circular area with a diameter D3 of maximum 1.5 mm, preferably maximum 1.0 mm, most preferably maximum 0.6 mm.

Vorteilhafterweise weist der Emissionseinsatz am vorderen Ende der Elektrode eine Kreisfläche auf, die einen Durchmesser D3 von minimal 0,2 mm, besser von minimal 0,4 mm aufweist.Advantageously, the emission insert has a circular area at the front end of the electrode, which has a diameter D3 of at least 0.2 mm, better of at least 0.4 mm.

Die Fläche am vorderen Ende der Elektrode kann aber auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.The area at the front end of the electrode can also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously a maximum of 1.8 mm² , preferably a maximum of 0.8 mm² , ideally a maximum of 0.3 mm² , and/or a minimum of 0.05 mm² , preferably a minimum of 0.1 mm² .

In einer besonderen Ausführungsform hat der Emissionseinsatz einen größten Außendurchmesser D2 und der Elektrodenhalter einen kleinsten Außendurchmesser D1, wobei die Differenz zwischen D1 und D2 zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt.In a particular embodiment, the emission insert has a largest outer diameter D2 and the electrode holder has a smallest outer diameter D1, the difference between D1 and D2 being between 0.2 mm and 1 mm.

Bei dem Plasmaschneidbrenner gemäß dem zweiten Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Winkel zwischen der Außenfläche des konischen Abschnitts der Elektrode und der Längsachse L sowie der der Außenfläche gegenüberliegenden Innenfläche der Düse und der Längsachse L einen Unterschied von maximal 10°, besser von maximal 5° aufweisen, noch besser gleich groß sind.In the plasma cutting torch according to the second aspect, it can be provided that the angles between the outer surface of the conical section of the electrode and the longitudinal axis L and the inner surface of the nozzle opposite the outer surface and the longitudinal axis L have a difference of a maximum of 10°, better of a maximum of 5°, even better are the same.

Bei dem Plasmaschneidbrenner kann vorgesehen sein, dass für einen Abstand L1 zwischen dem vorderen Ende der Elektrode und einem hinteren Ende des Düsenkanals gilt:L1≤ 1,5 mm, besser L1 ≤ 1mm und/oder L1 ≤ 1,5 *D4, besser L1 ≤ 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals.The plasma cutting torch can be designed so that the distance L1 between the front end of the electrode and a rear end of the nozzle channel is: L1 ≤ 1.5 mm, better L1 ≤ 1 mm and/or L1 ≤ 1.5 * D4, better L1 ≤ 1.0 * D4, with D4 being the smallest diameter of the nozzle channel.

Bei dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt kann das Plasmagasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff bestehen.In the method according to the third aspect, the plasma gas mixture may consist of nitrogen and argon or of nitrogen and hydrogen or of nitrogen and argon and hydrogen.

Vorteilhafterweise wird der Plasmaschneidbrenner mit Stickstoff oder einem Gasgemisch mit Stickstoff oder Luft oder einem Gasgemisch mit Luft als Sekundärgas betrieben.Advantageously, the plasma cutting torch is operated with nitrogen or a gas mixture with nitrogen or air or a gas mixture with air as secondary gas.

Günstigerweise besteht das Sekundärgasgemisch aus Stickstoff und Argon oder aus Stickstoff und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Argon und Wasserstoff oder aus Luft und Argon oder aus Luft und Stickstoff.Advantageously, the secondary gas mixture consists of nitrogen and argon or of nitrogen and hydrogen or of nitrogen and argon and hydrogen or of air and argon or of air and nitrogen.

Vorteilhafterweise bestehen mindestens 30 %, besser 50 % und am besten 75 % des Volumens des Plasmagases und/oder des Sekundärgases aus Stickstoff oder Luft.Advantageously, at least 30%, better 50% and most preferably 75% of the volume of the plasma gas and/or the secondary gas consists of nitrogen or air.

Günstigerweise wird/werden zumindest die Elektrode und/oder die Düse und/oder die Düsenschutzkappe mit einem flüssigen Medium gekühlt.Advantageously, at least the electrode and/or the nozzle and/or the nozzle protection cap is/are cooled with a liquid medium.

Das zu schneidende Werkstück kann aus einem hochlegierten Stahl, einem rostfreien Stahl oder einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung bestehen.The workpiece to be cut can be made of a high-alloy steel, a stainless steel or a non-ferrous metal or a non-ferrous metal alloy.

Das Nichteisenmetall kann zumindest teilweise aus Aluminium, Kupfer, Titan, Zink oder Zinn bestehen.The non-ferrous metal may consist at least partially of aluminum, copper, titanium, zinc or tin.

Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die verwendeten Materialien und/oder die konstruktive Gestaltung der Elektrode eine lange Lebensdauer und eine hohe Schnittqualität auch über einen langen Zeitraum beim Einsatz eines stickstoffhaltigen Plasmagases oder -gemisches in einem Plasmabrenner insbesondere beim Schneiden von hochlegiertem Stahl, nicht rostendem Stahl oder einer Nichteisenmetall/-legierung erzielt wird.The present invention is based on the surprising finding that the materials used and/or the structural design of the electrode achieve a long service life and high cutting quality even over a long period of time when using a nitrogen-containing plasma gas or mixture in a plasma torch, in particular when cutting high-alloy steel, stainless steel or a non-ferrous metal/alloy.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:

Figur 1
ein Schnittdarstellung durch einen Plasmaschneidbrennerkopf eines Plasmabrenners gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2
ein Schnittdarstellung durch einen Plasmaschneidbrennerkopf eines Plasmabrenners gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 3
eine Einzeldarstellung der in den Figuren 1 und 2 enthaltenen Elektrode in Seitenansicht;
Figur 4
eine Detailansicht der Figur 3;
Figur 5
eine Ansicht der in Figur 3 gezeigten Elektrode von unten;
Figur 6
eine Teilschnittansicht einer Elektrode gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 7
eine Teilschnittansicht der in den Figuren 1, 2 und 3 bis 5 gezeigten Elektrode.
Further features and advantages of the invention will become apparent from the appended claims and the following description, in which several embodiments are explained in detail with reference to the schematic drawings. In the drawings:
Figure 1
a sectional view through a plasma cutting torch head of a plasma torch according to a particular embodiment of the present invention;
Figure 2
a sectional view through a plasma cutting torch head of a plasma torch according to another particular embodiment of the present invention;
Figure 3
a detailed representation of the Figures 1 and 2 included electrode in side view;
Figure 4
a detailed view of the Figure 3 ;
Figure 5
a view of the Figure 3 shown electrode from below;
Figure 6
a partial sectional view of an electrode according to a particular embodiment of the present invention; and
Figure 7
a partial sectional view of the Figures 1 , 2 and 3 to 5 electrode shown.

Die Figuren 1 und 2 zeigen Schnittdarstellungen durch Plasmaschneidbrennerköpfe gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen eine Elektrode gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Anordnung aus Elektrode und Düse gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt worden sind.The Figures 1 and 2 show sectional views through plasma cutting torch heads according to particular embodiments of the present invention, in which an electrode according to a particular embodiment of the present invention and an arrangement of electrode and nozzle according to a particular embodiment of the present invention have been used.

Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen Einzelheiten der in den Plasmaschneidbrennerköpfen der Figuren 1 und 2 enthaltenen Elektrode.The Figures 3 , 4 and 5 show details of the plasma cutting torch heads of the Figures 1 and 2 contained electrode.

Die Figur 6 zeigt eine Schnittansicht von einer Elektrode gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung, und Figur 7 zeigt eine Schnittansicht der in den Figuren 1, 2 und 3 bis 5 gezeigten Elektrode.The Figure 6 shows a sectional view of an electrode according to another particular embodiment of the invention, and Figure 7 shows a sectional view of the Figures 1 , 2 and 3 to 5 electrode shown.

Der in Figur 1 gezeigte Plasmaschneidbrennerkopf 1 weist eine Elektrode 7, eine Düse 4 und eine Plasmagaszuführung 3 für Plasmagas PG auf. Der Plasmaschneidbrennerkopf gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich entlang der Längsachse L und hat ein vorderes Ende 14 und ein hinteres Ende 15.The Figure 1 The plasma cutting torch head 1 shown comprises an electrode 7, a nozzle 4, and a plasma gas supply 3 for plasma gas PG. The plasma cutting torch head according to a particular embodiment of the present invention extends along the longitudinal axis L and has a front end 14 and a rear end 15.

Die Elektrode 7 ist in eine Elektrodenaufnahme 6 mittels Gewinde eingeschraubt und wird von innen mit einem Kühlmedium, das über das Innere eines Kühlrohrs 11 als Kühlmittelvorlauf WV1 zugeführt und einen zwischen dem Äußeren des Kühlrohrs 11 und der Elektrodenaufnahme 6 als Kühlmittelrücklauf WR1 gebildeten Raum 13 zurückgeführt wird, gekühlt.The electrode 7 is screwed into an electrode holder 6 by means of a thread and is cooled from the inside with a cooling medium which is supplied via the interior of a cooling tube 11 as coolant flow WV1 and is returned to a space 13 formed between the exterior of the cooling tube 11 and the electrode holder 6 as coolant return WR1.

Die Düse 4 wird von einer Düsenkappe 2 gehalten. Zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 2 strömt ein Kühlmedium in einem Raum 10, das über den Kühlmittelvorlauf WV2 zu und den Kühlmittelrücklauf WR2 zurückgeführt wird.The nozzle 4 is held by a nozzle cap 2. Between the nozzle 4 and the nozzle cap 2, a cooling medium flows in a space 10, which is fed in via the coolant supply line WV2 and returned via the coolant return line WR2.

Eine Düsenschutzkappe 9 umschließt die Düse 4 und die Düsenkappe 2. Dazwischen strömt Sekundärgas SG durch eine Sekundärgasführung 9.1, die gleichzeitig die Düsenschutzkappe 9 von der Düsenkappe 2 isoliert und auf Abstand hält. Dabei kann die Sekundärgasführung 9.1 z. B. so gestaltet sein, dass sie das Sekundärgas SG rotieren lässt. Die Düsenschutzkappe 9 wird durch eine Düsenschutzkappenhalterung 8 fixiert, die am Plasmabrennerkopf mittels Gewinde befestigt ist.A nozzle protection cap 9 encloses the nozzle 4 and the nozzle cap 2. Secondary gas SG flows between them through a secondary gas guide 9.1, which simultaneously isolates the nozzle protection cap 9 from the nozzle cap 2 and keeps them at a distance. The secondary gas guide 9.1 can, for example, be designed to rotate the secondary gas SG. The nozzle protection cap 9 is secured by a nozzle protection cap holder 8, which is threadedly attached to the plasma torch head.

Die Düse 4 weist in ihrem Innenraum, vom vorderen Ende 14 her gesehen, einen Düsenkanal 4.1 und einen sich konisch erweiternden Raum 4.3 auf. Die Innenfläche des Raumes 4.2 der Düse 4 verläuft parallel zu einer konischen Außenfläche 7.1.3 eines Abschnittes 7.1.1 der Elektrode 7. So wird eine gute Plasmagasströmung in dem verbleibenden Raum zwischen Düse 4 und Elektrode 7 erreicht. Durch die spitze Bauform der Elektrode 7 kommt die vordere Kreisfläche des Emissionseinsatzes 7.2. sehr nahe an das Ende des Düsenkanals 4.1. So beträgt in der Figur 1 beispielhaft der Abstand L1 zwischen Elektrode und hinterem Ende des Düsenkanals 4.1 0,8 mm und in der Figur 2 beispielhaft L1 = 1,2 mm. Der Durchmesser D4 des Düsenkanals 4.1 beträgt in beiden Figuren beispielhaft 1,2 mm. Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.The nozzle 4 has in its interior, as seen from the front end 14, a nozzle channel 4.1 and a conically widening chamber 4.3. The inner surface of the space 4.2 of the nozzle 4 runs parallel to a conical outer surface 7.1.3 of a section 7.1.1 of the electrode 7. This ensures a good plasma gas flow in the remaining space between the nozzle 4 and the electrode 7. Due to the pointed design of the electrode 7, the front circular surface of the emission insert 7.2 comes very close to the end of the nozzle channel 4.1. Figure 1 For example, the distance L1 between the electrode and the rear end of the nozzle channel 4.1 is 0.8 mm and in the Figure 2 For example, L1 = 1.2 mm. The diameter D4 of the nozzle channel 4.1 is 1.2 mm in both figures, for example. Furthermore, the front surface 7.2.4 of the emission insert can also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously a maximum of 1.8 mm 2 , preferably a maximum of 0.8 mm 2 , ideally a maximum of 0.3 mm 2 , and/or a minimum of 0.05 mm 2 , preferably a minimum of 0.1 mm 2 .

Mit "sehr nahe" soll allgemein folgendes gemeint sein:
L1≤ 1,5 mm, besser L1 ≤ 1mm und/oder L1 ≤ 1,5 *D4, besser L1 ≤ 1,0 * D4, mit D4 kleinster Durchmesser des Düsenkanals."Very close" generally means the following:
L1≤ 1.5 mm, better L1 ≤ 1 mm and/or L1 ≤ 1.5 *D4, better L1 ≤ 1.0 * D4, with D4 being the smallest diameter of the nozzle channel.

Zwischen der Elektrode 7 und der Düse 4 ist ein Plasmagasführungsteil 3.1 angebracht, das die Elektrode 7 und die Düse 4 voneinander isoliert und durch Öffnungen das Plasmagas PG in den Düseninnenraum strömen lässt. Dabei kann das Plasmagas PG durch einen radialen Versatz der Öffnungen zur Längsachse L oder durch Neigung der Öffnungen zur Längsachse L in Rotation versetzt werden.A plasma gas guide part 3.1 is mounted between the electrode 7 and the nozzle 4. This guide part isolates the electrode 7 and the nozzle 4 from each other and allows the plasma gas PG to flow into the nozzle interior through openings. The plasma gas PG can be set in rotation by radially offsetting the openings relative to the longitudinal axis L or by inclining the openings relative to the longitudinal axis L.

Die Elektrode 7 besteht aus einem Elektrodenhalter 7.1 und einem Emissionseinsatz 7.2. In einer Ausführungsform kann sie aber auch aus mehr Komponenten bestehen. Der Emissionseinsatz 7.2 ist im Elektrodenhalter 7.1 befestigt. Dies erfolgt kraft-, form- oder stoffschlüssig.The electrode 7 consists of an electrode holder 7.1 and an emission insert 7.2. In one embodiment, however, it can also consist of more components. The emission insert 7.2 is secured in the electrode holder 7.1. This is done by force-fitting, form-fitting, or material-fitting means.

So wird ein guter Wärmeübergang zwischen dem Emissionseinsatz 7.2 und dem Elektrodenhalter 7.1 erreicht. Der Elektrodenhalter 7.1 kann wassergekühlt sein, wobei er im Inneren einen Hohlraum aufweisen kann, durch den das Kühlmedium fließt. Der Elektrodenhalter 7.1 besteht aus gut wärme- und elektrisch leitendem Material, bspw. Kupfer oder Silber oder eine Legierung daraus.This ensures good heat transfer between the emission insert 7.2 and the electrode holder 7.1. The electrode holder 7.1 can be water-cooled, with a hollow interior through which the cooling medium flows. The electrode holder 7.1 is made of a material with good thermal and electrical conductivity, e.g., copper or silver or an alloy thereof.

Für den Emissionseinsatz 7.2 wird eine Legierung, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 4 spezifiziert ist, eingesetzt.For the emission insert 7.2, an alloy as specified in one of claims 1 to 4 is used.

Vorteilhafterweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit >300W/(m*K), beispielsweise Silber 429W/(m*K), Kupfer 398W/(m*K). Alternativ oder zusätzlich beträgt die elektrische Leitfähigkeit vorteilhafterweise mehr als 107 S/m (beispielsweise Silber 61*106 S/m, Kupfer 58 *106 S/m).Advantageously, the thermal conductivity is >300W/(m*K), for example, silver 429W/(m*K), copper 398W/(m*K). Alternatively or additionally, the electrical conductivity is advantageously more than 10 7 S/m (for example, silver 61*10 6 S/m, copper 58*10 6 S/m).

In diesem Beispiel ist eine Legierung aus Wolfram und Zirkoniumoxid eingesetzt. Der Anteil des Wolframs ist hier beispielhaft 99,3 % und der des Zirkoniumoxids 0,3 % der Masse der Legierung. Der zu 100 % der Masse fehlende Anteil besteht in diesem Beispiel aus mit einem Anteil an der Gesamtmasse 0,15 % Kupfer.In this example, an alloy of tungsten and zirconium oxide is used. The tungsten content is 99.3% and the zirconium oxide content is 0.3% of the alloy's mass. The remaining portion to 100% of the mass in this example consists of copper, which accounts for 0.15% of the total mass.

Der in der Figur 2 gezeigte Plasmaschneidbrennerkopf 1 unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Plasmaschneidbrennerkopf in der Innenkontur der Düse. Die Düse 4 weist in ihrem Innenraum, vom vorderen Ende 14 her gesehen, einen zylindrischen Düsenkanal 4.1, einen weiteren im Wesentlichen zylindrischen Raum 4.2 und einen sich konisch erweiternden Raum 4.3 auf. Mit im Wesentlichen zylindrisch ist gemeint, dass die zylindrische Innenfläche dieses Raumes 4.3 größer ist als die Innenfläche des hier gezeigten kleineren konisch ausgebildeten Abschnittes unmittelbar am Düsenkanal 4.1. Die Innenfläche des Raumes 4.3 der Düse 4 verläuft parallel zur Außenfläche 7.1.3 des Abschnittes 7.1.1 der Elektrode 7. So wird eine gute Plasmagasströmung in dem verbleibenden Raum zwischen Düse 4 und Elektrode 7 erreicht. Durch die spitze Bauform der Elektrode 7 ragt der Emissionseinsatz 7.2 in den Raum 4.2 hinein. Die vordere Kreisfläche 7.2.4 der Emissionseinsatzes 7.2. kommt sehr nahe an das Ende des Düsenkanals 4.1. Die Länge L1 beträgt hier beispielhaft 1,2 mm. Der Durchmesser D4 des Düsenkanals 4.1 beträgt beispielhaft 1,2 mm.The one in the Figure 2 The plasma cutting torch head 1 shown differs from the one shown in Figure 1 shown plasma cutting torch head in the inner contour of the nozzle. The nozzle 4 has in its interior, seen from the front end 14, a cylindrical nozzle channel 4.1, a further essentially cylindrical chamber 4.2 and a conically widening chamber 4.3. By essentially cylindrical is meant that the cylindrical inner surface of this chamber 4.3 is larger than the inner surface of the smaller conical section shown here directly at the nozzle channel 4.1. The inner surface of the chamber 4.3 of the nozzle 4 runs parallel to the outer surface 7.1.3 of section 7.1.1 of the electrode 7. This ensures good plasma gas flow in the remaining space between the nozzle 4 and the electrode 7. Due to the pointed design of the electrode 7, the emission insert 7.2 protrudes into the chamber 4.2. The front circular surface 7.2.4 of the emission insert 7.2. comes very close to the end of nozzle channel 4.1. The length L1 here is, for example, 1.2 mm. The diameter D4 of nozzle channel 4.1 is, for example, 1.2 mm.

Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.Furthermore, the front surface 7.2.4 of the emission insert may also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously a maximum of 1.8 mm² , preferably a maximum of 0.8 mm² , preferably a maximum of 0.3 mm² , and/or a minimum of 0.05 mm² , preferably a minimum of 0.1 mm² .

Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen detaillierter den Aufbau der Elektrode von Figuren 1 und 2. Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen die Elektrode 7, die sich entlang einer Längsachse L erstreckt und ein vorderes Ende 7.4 und ein hinteres Ende 7.3 aufweist.The Figures 3 , 4 and 5 show in more detail the structure of the electrode of Figures 1 and 2 . The Figures 3 , 4 and 5 show the electrode 7, which extends along a longitudinal axis L and has a front end 7.4 and a rear end 7.3.

Die Elektrode besteht aus dem Elektrodenhalter 7.1 und dem Emissionseinsatz 7.2, der hier beispielhaft mit seinem hinteren Abschnitt 7.2.1 in den Elektrodenhalter 7.1 eingepresst und damit kraftschlüssig verbunden ist.The electrode consists of the electrode holder 7.1 and the emission insert 7.2, which is pressed into the electrode holder 7.1 with its rear section 7.2.1 and is thus connected in a force-locking manner.

Der Elektrodenhalter 7.1 weist einen hinteren Abschnitt 7.1.2 auf, der hier beispielhaft mit einem Gewinde ausgeführt ist und in die Elektrodenaufnahme 6 des Plasmaschneidbrennerkopfes eingeschraubt werden kann. Der Elektrodenhalter 7.2 weist zum vorderen Ende 7.4 der Elektrode 7 einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 7.1.1. mit einer Außenfläche 7.1.3 auf. Am vorderen Ende befindet sich eine kreisförmige Fläche mit einem Durchmesser D1. Ein von der Außenfläche 7.1.3 des konischen Abschnitts 7.1.1 des Elektrodenhalters 7.1 und der Längsachse L eingeschlossener Winkel α beträgt hier beispielhaft 23°.The electrode holder 7.1 has a rear section 7.1.2, which is designed here, for example, with a thread and can be screwed into the electrode holder 6 of the plasma cutting torch head. The electrode holder 7.2 has a conically tapered section 7.1.1 with an outer surface 7.1.3 towards the front end 7.4 of the electrode 7. At the front end is a circular surface with a diameter D1. An angle α enclosed by the outer surface 7.1.3 of the conical section 7.1.1 of the electrode holder 7.1 and the longitudinal axis L is, for example, 23° here.

Der Emissionseinsatz 7.2 hat einen in den Elektrodenhalter 7.1 hineinragenden hinteren Abschnitt 7.2.1 und einen aus dem Elektrodenhalter 7.1 herausragenden Abschnitt, der einen zylindrischen Abschnitt 7.2.2 mit dem Durchmesser D2 und einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 7.2.3 mit einer Außenfläche 7.2.5 aufweist.The emission insert 7.2 has a rear section 7.2.1 projecting into the electrode holder 7.1 and a section projecting from the electrode holder 7.1, which has a cylindrical section 7.2.2 with the diameter D2 and a conically tapered section 7.2.3 with an outer surface 7.2.5.

Der Durchmesser D1 beträgt beispielhaft 2,0 mm. Der Durchmesser D1 beträgt beispielhaft 2,5 mm. Die Differenz zwischen D1 und D2 beträgt 0,25 mm.The diameter D1 is 2.0 mm, for example. The diameter D1 is 2.5 mm, for example. The difference between D1 and D2 is 0.25 mm.

Durch die geringe Differenz wird erreicht, dass das im Raum zwischen der Düse 4 und der Elektrode 7 (wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt) strömende Plasmagas PG möglichst wenig gestört wird und möglichst gleichmäßig und homogen strömt. Dies sichert eine gute Schnittqualität.The small difference ensures that the pressure in the space between the nozzle 4 and the electrode 7 (as shown in the Figures 1 and 2 The plasma gas PG flowing through the plasma chamber (shown) is disturbed as little as possible and flows as evenly and homogeneously as possible. This ensures good cutting quality.

Weiterhin weist der Emissionseinsatz 7.2 zum vorderen Ende 14 hin eine Kreisfläche 7.2.4 auf, die einen Durchmesser D3 von beispielsweise 0,4 mm hat (s. Figur 4). Ein von der Außenfläche 7.2.5 des konischen Abschnitts 7.2.3 des Emissionseinsatzes 7.2 und der Längsachse L eingeschlossener Winkel β beträgt hier beispielhaft 23°. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Winkel α und β der sich konisch verjüngenden Abschnitte des Elektrodenhalters 7.1 und des Emissionseinsatzes 7.2 gleich groß. Durch die gleiche Größe der Winkel α und β wird erreicht, dass das im Raum zwischen der Düse 4 und der Elektrode 7 (wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt) strömende Plasmagas PG möglichst gleichmäßig und homogen strömt. Dies sichert eine gute Schnittqualität.Furthermore, the emission insert 7.2 has a circular area 7.2.4 towards the front end 14, which has a diameter D3 of, for example, 0.4 mm (see Figure 4 ). An angle β enclosed by the outer surface 7.2.5 of the conical section 7.2.3 of the emission insert 7.2 and the longitudinal axis L is, for example, 23°. In this exemplary embodiment, the angles α and β of the conically tapered sections of the electrode holder 7.1 and the emission insert 7.2 are of equal size. By keeping the angles α and β equal, it is achieved that the gas in the space between the nozzle 4 and the electrode 7 (as in the Figures 1 and 2 The plasma gas PG flowing through the plasma (shown) is as even and homogeneous as possible. This ensures good cutting quality.

Im Übrigen kann die vordere Fläche 7.2.4 des Emissionseinsatzes auch anders als kreisförmig sein. Unabhängig davon, ob sie kreisförmig ist oder nicht, ist sie vorteilhafterweise maximal 1,8 mm2, besser maximal 0,8 mm2, am besten maximal 0,3 mm2 groß und/oder minimal 0,05 mm2, besser minimal 0,1 mm2 groß.Furthermore, the front surface 7.2.4 of the emission insert may also be other than circular. Regardless of whether it is circular or not, it is advantageously a maximum of 1.8 mm² , preferably a maximum of 0.8 mm² , preferably a maximum of 0.3 mm² , and/or a minimum of 0.05 mm² , preferably a minimum of 0.1 mm² .

Der Durchmesser D3 beträgt hier beispielhaft 0,4 mm. Hierdurch wird erreicht, dass die Lebensdauer der Elektrode auch beim Plasmaschneiden mit einem stickstoffhaltigen Plasmagas ausreichend hoch ist und gleichzeitig durch die relativ kleine Kreisfläche 7.2.4 ausreichend zentriert bleibt. So werden eine hohe Lebensdauer und gleichzeitig eine gute Schnittqualität realisiert. Da der Durchmesser D3 in diesem Beispiel 0,4 mm beträgt, beträgt die Kreisfläche 7.2.4 damit 0,125 mm2.The diameter D3 here, for example, is 0.4 mm. This ensures that the electrode's service life is sufficiently long, even during plasma cutting with a nitrogen-containing plasma gas, while remaining sufficiently centered thanks to the relatively small circular area 7.2.4. This ensures a long service life and good cutting quality. Since the diameter D3 in this example is 0.4 mm, the circular area 7.2.4 is 0.125 mm² .

Die Figur 6 zeigt eine Elektrode 7, die sich von der in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Ausführungsformen darin unterscheidet, dass der Innenraum beispielhaft massiv ausgebildet ist.The Figure 6 shows an electrode 7, which is different from the one in the Figures 3 to 5 shown embodiments in that the interior is of exemplary solid construction.

Die Figur 7 zeigt noch einmal die Elektrode aus Figur 1. Die Elektrode hat im Inneren einen Hohlraum 7.12, der sich vom hinteren Ende 7.3 her in Richtung des vorderen Endes erstreckt. Hier ist die Kühlung wesentlich effektiver als bei einer Elektrode nach Figur 6, weil das Kühlmittel durch, wie in Figur 1 und 2 beschrieben, ein Kühlrohr in die Nähe des Emissionseinsatzes geführt wird. Damit erhöht sich ebenfalls die Lebensdauer der Elektrode, insbesondere die des Emissionseinsatzes.The Figure 7 shows the electrode again Figure 1 The electrode has a cavity 7.12 inside, which extends from the rear end 7.3 towards the front end. Here, cooling is much more effective than with an electrode according to Figure 6 because the coolant passes through, as in Figure 1 and 2 described, a cooling tube in close to the emission insert. This also increases the service life of the electrode, especially that of the emission insert.

Die beschriebenen Elektroden 7 und der beschriebene Plasmaschneidbrenner 1 werden erfindungsgemäß zum Plasmaschneiden mit einem stickstoffhaltigen Plasmagas. eingesetzt. Dies ist besonders vorheilhaft für das Plasmaschneiden von Werkstücken, die aus einem hochlegierten Stahl, einem rostfreien Stahl oder einem Nichteisenmetall oder einer Nichteisenmetalllegierung bestehen. Es ist aber auch möglich, Baustahl zu schneiden.The described electrodes 7 and the described plasma cutting torch 1 are used according to the invention for plasma cutting with a nitrogen-containing plasma gas. This is particularly advantageous for plasma cutting workpieces made of high-alloy steel, stainless steel, or a non-ferrous metal or non-ferrous metal alloy. However, it is also possible to cut structural steel.

Dabei werden durch den Einsatz einer Elektrode 7 mit einem Elektrodenhalter 7.1 und einem Emissionseinsatz 7.2 eine hohe Lebensdauer und eine gute Schnittqualität erreicht.The use of an electrode 7 with an electrode holder 7.1 and an emission insert 7.2 ensures a long service life and good cutting quality.

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Offenbarung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features disclosed in the above description and in the drawings may be essential both individually and in any combination for the realization of the disclosure in its various embodiments.

Der Schutzbereich der Erfindung wird aber durch die Patentansprüche bestimmt.However, the scope of protection of the invention is determined by the patent claims.

Claims (18)

  1. Electrode (7) for a plasma cutting torch, comprising an electrode holder (7.1) and an emission insert (7.2) which are connected to one another with a force fit, form fit and/or by material bonding, wherein the emission insert (7.2) consists of an alloy at least of tungsten and at least one of the following elements or compounds:
    zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide,
    characterized in that the remaining proportion of the alloy of the emission insert (7.2) to make up 100% of the volume or the mass is formed to at least 20%, preferably at least 25%, more preferably at least 30% from copper and/or silver.
  2. Electrode (7) according to Claim 1, wherein the proportion of zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide is at least 0.1%, preferably at least 0.3% of the volume or the mass of the alloy of the emission insert (7.2).
  3. Electrode (7) according to Claim 1, wherein the proportion of zirconium and/or hafnium and/or zirconium oxide and/or hafnium oxide is at most 5%, preferably at most 2% of the volume or the mass of the alloy of the emission insert (7.2).
  4. Electrode (7) according to one of the preceding claims, wherein the proportion of tungsten is at least 95%, preferably at least 98%, most preferably 99% of the volume or the mass of the alloy of the emission insert (7.2).
  5. Electrode (7) according to one of the preceding claims, wherein the electrode (7) has a front end (7.4) and a rear end (7.3) and extends along a longitudinal axis L, and the emission insert (7.2) is located at the front end (7.4).
  6. Electrode (7) according to Claim 5, wherein at least a part of the emission insert (7.2) protrudes or projects from the electrode holder (7.1) in the direction of the front end (7.4) of the electrode (7).
  7. Electrode (7) according to Claim 6, where the emission insert (7.2) protruding or projecting from the electrode holder (7.1) has a section (7.2.3) tapering, preferably conically, in the direction of the front end (7.4).
  8. Electrode (7) according to Claim 7, wherein an outer face (7.2.5), extending toward the front end along the longitudinal axis L, of the section (7.2.3) tapering, preferably conically, forms an angle (β) of from 15° to 30°, preferably from 20° to 25°, between the outer face (7.2.5) and the longitudinal axis (L).
  9. Electrode (7) according to one of Claims 5 to 8, wherein the electrode holder (7.1) has a section (7.1.1) tapering, preferably conically, toward the front end (7.4).
  10. Electrode (7) according to Claim 9, wherein an outer face (7.1.3), extending toward the front end along the longitudinal axis (L), of the section (7.1.1) tapering, preferably conically, forms an angle (α) of from 15° to 30°, preferably from 20° to 25°, between the outer face (7.1.3) and the longitudinal axis (L).
  11. Electrode (7) according to Claim 10, wherein the angles (α) and (β) have a difference of at most 10°, preferably at most 5°, and are most preferably equal.
  12. Electrode (7) according to one of Claims 6 to 11, wherein the emission insert (7.2) has a circular face (7.2.4) at the front end (7.4) of the electrode (7), which has a diameter (D3) of at most 1.5 mm, preferably at most 1.0 mm, most preferably at most 0.6 mm.
  13. Electrode (7) according to one of Claims 6 to 12, wherein the emission insert (7.2) has a circular face (7.2.4) at the front end (7.4) of the electrode (7), which has a diameter (D3) of at least 0.2 mm, preferably at least 0.4 mm.
  14. Electrode (7) according to one of Claims 6 to 13, wherein the emission insert (7.2) has a greatest outer diameter (D2) and the electrode holder (7.1) has a smallest outer diameter (D1), the difference between (D1) and (D2) lying between 0.2 mm and 1 mm.
  15. Plasma cutting torch comprising an electrode (7) according to one of Claims 1 to 14, and a nozzle (4) and/or a nozzle protection cap (9) and/or a plasma gas guide (3.1).
  16. Plasma cutting torch according to Claim 15 having an electrode according to Claim 10, wherein the angles between the outer face (7.1.3) of the conical section (7.1.1) of the electrode (7) and the longitudinal axis (L) and between the inner face of the nozzle (4), lying opposite the outer face, and the longitudinal axis (L) have a difference of at most 10°, preferably at most 5°, and are more preferably equal.
  17. Plasma cutting torch according to Claim 15 or 16, wherein, for a distance L1 between the front end (14) of the electrode and a rear end of the nozzle channel (4.1): L1 ≤ 1.5 mm, preferably L1 ≤ 1 mm and/or L1 ≤ 1.5 * D4, preferably L1 ≤ 1.0 * D4, with D4 being the smallest diameter of the nozzle channel.
  18. Method for plasma cutting by using a plasma cutting torch according to one of Claims 15 to 17, wherein the plasma cutting torch (1) is operated with nitrogen or a gas mixture of nitrogen as plasma gas.
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