DE102016219350A1

DE102016219350A1 - Düsenschutzkappe, Lichtbogenplasmabrenner mit dieser Düsenschutzkappe sowie eine Verwendung des Lichtbogenplasmabrenners

Info

Publication number: DE102016219350A1
Application number: DE102016219350.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Friedel; Timo Grundke; Volker Krink
Original assignee: Kjellberg Stiftung
Current assignee: Kjellberg Stiftung
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2018-04-12
Also published as: JP2019535109A; RU2019110297A; RU2019110297A3; CN110036697A; EP3524038A1; WO2018065578A1; JP7090074B2; RU2741583C2; EP3524038B1; US20200045804A1; US11178746B2

Abstract

Bei der erfindungsgemäßen Düsenschutzkappe (7) für einen Lichtbogenplasmabrenner (1) ist außenseitig an der Spitze des Lichtbogenplasmabrenners (1), an der ein Plasmastrahl durch düsenförmige Öffnungen (4a, 7a) aus dem Lichtbogenplasmabrenner (1) austritt, angeordnet und dort befestigt. Die Düsenschutzkappe (7) ist aus einer Eisenlegierung, in der Schwefel mit einem Anteil von mindestens 0,05 % enthalten ist, hergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düsenschutzkappe für einen Lichtbogenplasmabrenner, einen Lichtbogenplasmabrenner mit dieser Düsenschutzkappe sowie eine Verwendung des Lichtbogenplasmabrenners.
Der Lichtbogenplasmabrenner kann sowohl zum Trockenschneiden und insbesondere aber auch vorteilhaft zum Unterwasserschneiden verschiedener metallischer Werkstücke eingesetzt werden.
Beim Plasmaschneiden wird zunächst ein Lichtbogen (Pilotlichtbogen) zwischen einer Kathode (Elektrode) und Anode (Düse) gezündet und danach direkt auf ein Werkstück übertragen, um damit einen Schnitt vorzunehmen.
Besagter Lichtbogen bildet ein Plasma, das ein thermisch hochaufgeheiztes, elektrisch leitfähiges Gas (Plasmagas) ist, das aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht. Als Plasmagas werden Gase wie Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Diese Gase werden durch die Energie des Lichtbogens ionisiert und dissoziiert. Der daraus entstehende Plasmastrahl wird zum Schneiden des Werkstücks eingesetzt.
Ein moderner Lichtbogenplasmabrenner besteht im Wesentlichen aus einigen Grundelementen, wie Brennerkörper, Elektrode (Kathode), Düse, eine oder mehrere Kappen, insbesondere eine Düsenkappe und eine Düsenschutzkappe, die die Düse umgeben, sowie aus Verbindungen, die zur Versorgung des Lichtbogenplasmabrenners mit elektrischem Strom, Gasen und/oder Flüssigkeiten dienen.
Düsenschutzkappen dienen dazu, eine Düse während des Schneidprozesses vor Wärme und herausspritzendem geschmolzenen Metall des Werkstücks zu schützen.
Eine Düse kann aus einem oder mehreren Bauteilkomponenten bestehen. Bei direkt wassergekühlten Lichtbogenplasmabrennern wird die Düse üblicherweise von einer Düsenkappe gehalten. Zwischen der Düse und der Düsenkappe strömt Kühlwasser. Ein Sekundärgas strömt dann zwischen der Düsenkappe und einer Düsenschutzkappe. Dieses dient zur Schaffung einer definierten Atmosphäre, zur Einschnürung des Plasmastrahls und zum Schutz vor dem Spritzen beim Einstechen des Plasmastrahls in das jeweilige Werkstück.
Bei gasgekühlten Lichtbogenplasmabrennern und indirekt wassergekühlten Lichtbogenplasmabrennern kann die Düsenkappe entfallen. Dann strömt das Sekundärgas zwischen der Düse und der Düsenschutzkappe.
Die Elektrode und die Düse sind zueinander in einem bestimmten räumlichen Verhältnis angeordnet und begrenzen einen Raum, die Plasmakammer, in der der Plasmastrahl ausgebildet wird. Der Plasmastrahl kann in seinen Parametern, wie z.B. Durchmesser, Temperatur, Energiedichte und Durchflussrate des Plasmagases, durch die Gestaltung der Düse und Elektrode stark beeinflusst werden.
Für die unterschiedlichen Plasmagase werden die Elektroden und Düsen aus unterschiedlichen Werkstoffen und in verschiedenen Formen hergestellt.
Düsen und Düsenschutzkappen werden in der Regel aus Kupfer hergestellt und direkt oder indirekt wassergekühlt. Je nach Schneidaufgabe und elektrischer Leistung des Lichtbogenplasmabrenners werden Düsen eingesetzt, die unterschiedliche Innenkonturen und Öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen und damit die optimalen Schneidergebnisse liefern.
Beispielsweise die DE 10 2004 049 445 A1 beschreibt einen Lichtbogenplasmabrenner mit einer wassergekühlten Elektrode und Düse und einer gasgekühlten Düsenschutzkappe. Dazu wird das Sekundärgas durch einen Düsenschutzkappenhalter innen an einem Schraubverbindungsbereich zwischen dem Düsenschutzkappenhalter und einer Düsenschutzkappe vorbei durch einen zwischen der Düsenschutzkappe und einer Düsenkappe gebildeten Sekundärgaskanal einem Plasmastrahl zugeführt.
EP 2 465 334 B1 betrifft zeigt eine Düsenschutzkappe und einen Düsenschutzkappenhalter sowie einen Lichtbogenplasmabrenner. Die Düsenschutzkappe umfasst einen vorderen Endabschnitt und einen hinteren Endabschnitt mit einem Gewindebereich auf seiner Innenfläche zum Verschrauben mit einem Brennerkörper eines Lichtbogenplasmabrenners, wobei mindestens eine Nut den Gewindebereich auf der Innenfläche durchquert.
Die EP 0 573 653 B1 betrifft einen Lichtbogenplasmabrenner mit wassergekühlter Elektrode und Düse sowie wassergekühlter Düsenschutzkappe. Genau wie bei dem Lichtbogenplasmabrenner gemäß der DE 10 2004 049 445 A1 wird ein Sekundärgas innerhalb eines Düsenschutzkappenhalters innen an einem Schraubverbindungsbereich zwischen dem Düsenschutzkappenhalter und einer Düsenschutzkappe vorbei einem Plasmastrahl zugeführt.
Die aus dem Stand der Technik an sich bekannten konstruktiven Varianten sind prinzipiell auch bei einer erfindungsgemäßen Düsenschutzkappe und einem damit ausgestatteten Lichtbogenplasmabrenner einsetzbar.
In den beschriebenen Plasmabrennern besteht die Düsenschutzkappe aus Kupfer oder einem anderen Nichteisenmetall, das meist besonders gut wärmeleitend ist. Insbesondere beim Plasmaschneiden unter Wasser, d.h. die Spitze des Plasmabrenners und damit auch die Düsenschutzkappe befindet sich während des Schneidens im Wasser, in dem auch das Werkstück angeordnet ist, tritt beim Einstechen bzw. Schneiden ein verstärkter Verschleiß an den Flächen der Bohrung der Düsenschutzkappe auf. Dies führt zur Verschlechterung der Schnittqualität, da die Gasströmung des Sekundärgases gestört wird. Außerdem verkürzt sich die nutzbare Lebensdauer, was zu häufigerem Austausch und Ausfallzeiten führt. Die Ursache dafür sind insbesondere elektroerosive Vorgänge, z.B. die Funkenentladung beim Zünden, elektrochemische Vorgänge sowie physikalische Überlastungen des Werkstoffs durch Temperatur und/oder Kavitation.
Ein weiteres Problem ist die erforderliche mechanische Festigkeit der Düsenschutzkappen, insbesondere dann, wenn die Spitze des Plasmabrenners und damit auch die Düsenschutzkappe in Berührung mit dem Werkstück kommt. Dies kann zu Verformungen der Düsenschutzkappe führen und hat ebenfalls eine Verschlechterung der Schnittqualität durch die Störung der Gasströmung des Sekundärgases zur Folge.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer der Düsenschutzkappe eines Lichtbogenplasmabrenners zu verbessern. Insbesondere betrifft dies das Plasmaschneiden unter Wasser. Weiterhin soll die Schnittqualität über einen längeren Zeitraum konstant hoch gehalten werden können und es soll die Gefahr der mechanischen Beschädigungen der Düsenschutzkappe verringert werden. Gleichzeitig soll die Düsenschutzkappe gut Wärme leitend sein, um Überhitzung zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Düsenschutzkappe, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 8 definiert einen Lichtbogenplasmabrenner mit dieser Düse und Anspruch 9 eine Verwendung des Lichtbogenplasmabrenners.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Düsenschutzkappe für einen Lichtbogenplasmabrenner ist außenseitig an der Spitze des Lichtbogenplasmabrenners, an der ein Plasmastrahl durch düsenförmige Öffnungen aus dem Lichtbogenplasmabrenner austritt, angeordnet und dort befestigt. Sie ist aus einer Eisenlegierung, in der Schwefel mit einem Anteil von mindestens 0,05 % enthalten ist, hergestellt.
In der Eisenlegierung sollte Schwefel mit einem Anteil im Bereich 0,05% bis 0,5 %, bevorzugt mit einem Anteil im Bereich 0,1 % bis 0,4 % und besonders bevorzugt im Bereich 0,15 % bis 0,35 % enthalten sein.
Neben dem Schwefel kann mindestens ein weiteres zusätzliches Legierungselement, das ausgewählt ist aus Chrom, Nickel, Mangan, Molybdän, Niob, Titan, Wolfram und Vanadium, enthalten sein.
Ein oder mehrere zusätzliche Legierungselement(e) kann/können mit einem Anteil von maximal 35 % enthalten sein. Dabei sind die jeweiligen einzelnen Anteile mehrerer zusätzlicher Legierungselemente auf maximal 35 % summiert. Der Anteil eines oder mehrerer zusätzlicher Legierungselemente sollte jedoch neben dem Schwefel mindestens 5 % betragen. Neben dem Anteil an Legierungselement(en) und Schwefel sollt nur Eisen Bestandteil des für die erfindungsgemäße Düsenschutzkappe eingesetzten Werkstoffs sein.
Als zusätzliche Legierungselemente sollten jedoch Chrom und Nickel gemeinsam in der Eisenlegierung enthalten sein.
Günstigerweise sollte kein oder ein sehr geringer Anteil Kohlenstoff in der Eisenlegierung enthalten sein. Der Kohlenstoffanteil sollte auf einen maximalen Anteil von 2,1 %, bevorzugt einen maximalen Anteil von 1,2 %, besonders bevorzugt einen Anteil von maximal 0,5 % begrenzt sein.
Die für die Herstellung der Düsenschutzkappe eingesetzte Eisenlegierung sollte eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/m·K, eine Härte von mindestens HB 150 aufweisen und/oder bei normalen Umgebungs- oder Einsatzbedingungen oxidations- und korrosionsbeständig sein. Dabei soll unter normal eine übliche Umgebungsatmosphäre und ein Einsatz in Wasser, in dem zumindest keine chemisch aggressiven Stoffe enthalten sind, oder ein zusätzlicher Energieeintrag erfolgt, verstanden sein.
Ein Lichtbogenplasmabrenner an dem eine erfindungsgemäße Düsenschutzkappe befestigbar ist, sollte zumindest so ausgebildet sein, dass er einen Brennerkörper, eine im Brennerkörper angeordneten Elektrode, eine Düse, die eine zentrale Düsenöffnung aufweist und so angeordnet ist, dass sie die Elektrode durch einen Plasmagaskanal getrennt abdeckt, der zwischen diesen gebildet ist, aufweist. Die Düsenschutzkappe, die eine an ihrer vorderen Endseite angeordnete, der Düsenöffnung gegenüberliegende Austrittsöffnung und einen ringförmigen Sekundärgaskanal innerhalb der Düsenschutzkappe aufweist, der mit der Austrittsöffnung in Verbindung steht, sollte am Lichtbogenplasmabrenner lösbar befestigt sein. Die Düsenschutzkappe sollte bezüglich der Elektrode und der Düse elektrisch isoliert sein und einem Sekundärgasführungsteil, das mindestens einen Durchlass aufweist, ausbilden.
Ein mit einer erfindungsgemäßen Düsenschutzkappe ausgestatteter Lichtbogenplasmabrenner kann zum Schneiden von Werkstücken eingesetzt werden. Dabei sind zumindest die Düsenschutzkappe und das jeweilige Werkstück unterhalb einer Wasseroberfläche angeordnet.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 eine Schnittdarstellung durch einen Lichtbogenplasmabrenner mit einer erfindungsgemäßen Düsenschutzkappe.
1 zeigt einen Plasmabrenner 1 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Der Plasmabrenner 1 hat einen Brennerkörper 2 mit einer Elektrode 3 und einer Düse 4, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsachse L des Plasmabrenners 1 ausgebildet sind. Die Elektrode 3 und die Düse 4 sind im Brennerkörper 2 koaxial angeordnet, befinden sich in einem bestimmten räumlichen Verhältnis und bilden eine Plasmakammer 6, durch die ein Plasmagas PG strömt, das über einen Plasmagaskanal 6a zugeführt wird. Eine Düsenkappe 5 ist koaxial zur Längsachse L des Plasmabrenners 1 angeordnet, hält und umgibt die Düse 4 schützend. Zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe 5 befindet sich ein Raum 11, durch den Kühlwasser strömt. Das Kühlwasser wird über einen Wasservorlauf WV zugeführt und strömt über einen Wasserrücklauf WR ab.
Ein ringförmiges Sekundärgasführungsteil 8 mit einer Vielzahl von Durchlässen, insbesondere in Form von Bohrungen, von denen nur eine mit dem Bezugszeichen 8a gekennzeichnet ist, ist so in einem zwischen der Düsenkappe 5 und einer Düsenschutzkappe 7 gebildeten Sekundärgaskanal 9 zwischen einem Sekundärgaseinlass 8b und dem vorderen Ende des Sekundärgaskanals 9 angeordnet, so dass das durch die Durchlässe 8a strömende Sekundärgas SG auf die äußere Mantelfläche der Düsenkappe 5 trifft. Das Sekundärgas SG wird danach durch den Sekundärgaskanal 9, der durch die Mantelfläche der Düsenkappe 5 und durch die innere Oberfläche 7b der Düsenschutzkappe 7 begrenzt ist, zum vorderen Ende des Plasmabrenners 1 geführt, dann einem Plasmastrahl (nicht gezeigt) zugeführt und tritt durch eine Austrittsöffnung 7a der Düsenschutzkappe 7 aus. Das rotierende Sekundärgas SG umströmt den Plasmastrahl nach seinem Austritt aus einer Düsenöffnung 4a und schafft zusätzlich eine definierte Atmosphäre um den Plasmastrahl.
Die Durchlässe 8a des Sekundärgasführungsteils 8 sind so angeordnet, dass eine rotierende Strömung des Sekundärgases SG erreicht wird. Beispielsweise können die Durchlässe 8a im Sekundärgasführungsteil 8a äquidistant über den Kreisumfang des Sekundärgasführungsteils 8 und sich radial erstreckend oder mit einem Versatz zur Radiale, d.h. auf einen jeweils gegenüber dem tatsächlichen Kreismittelpunkt versetzten Punkt ausgerichtet, angeordnet sein.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Brenner keine Düsenkappe 5 aufweist und die Düse 4 beispielsweise in den Brennerkörper 2 eingeschraubt ist. Dann wird der Raum 5, durch den das Sekundärgas SG strömt, durch die Mantelfläche der Düse 4 und durch die innere Oberfläche 7b der Düsenschutzkappe 7 begrenzt.
Bei diesem Lichtbogenplasmabrenner kann erfindungsgemäß eine Düsenschutzkappe 7 nach den Ansprüchen 1 bis 8 eingesetzt werden. In einem konkreten Einzelbeispiel kann die Düsenschutzkappe 7 aus einer Legierung, die mit Eisen und zusätzlich 17 % bis 19 % Chrom, 8 % bis 10 % Nickel und 0,15 % bis 0,35 % Schwefel gebildet ist, hergestellt worden sein. Der maximale Kohlenstoffanteil kann bei 0,1 % liegen.
Bezugszeichenliste

1: Plasmabrenner
2: Brennerkörper
3: Elektrode
4: Düse
4a: Düsenöffnung
5: Düsenkappe
6: Plasmakammer
6a: Plasmagaskanal
7: Düsenschutzkappe
7a: Austrittsöffnung
7b: Innenfläche
8: Sekundärgasführungsteil
8a: Durchlass
8b: Sekundärgaseinlass
9: Sekundärgaskanal
L: Längsachse
PG: Plasmagas
SG: Sekundärgas
WV: Wasservorlauf
WR: Wasserrücklauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004049445 A1 [0012, 0014]
EP 2465334 B1 [0013]
EP 0573653 B1 [0014]

Claims

Düsenschutzkappe (7) für einen Lichtbogenplasmabrenner (1), die außenseitig an der Spitze des Lichtbogenplasmabrenners (1), an der ein Plasmastrahl durch düsenförmige Öffnungen (4a, 7a) aus dem Lichtbogenplasmabrenner (1) austritt, angeordnet und dort befestigt ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenschutzkappe (7) aus einer Eisenlegierung, in der Schwefel mit einem Anteil von mindestens 0,05 % enthalten ist, hergestellt ist.
Düsenschutzkappe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Eisenlegierung Schwefel mit einem Anteil im Bereich 0,05% bis 0,5 %, bevorzugt mit einem Anteil im Bereich 0,1 % bis 0,4 %, besonders bevorzugt im Bereich 0,15 % bis 0,35 % enthalten ist.
Düsenschutzkappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Schwefel mindestens ein weiteres zusätzliches Legierungselement, das ausgewählt ist, aus Chrom, Nickel, Mangan, Molybdän, Niob, Titan, Wolfram und Vanadium ist.
Düsenschutzkappe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zusätzliche Legierungselement(e) mit einem Anteil von maximal 35 % enthalten ist/sind.
Düsenschutzkappe nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Legierungselemente Chrom und Nickel enthalten sind.
Düsenschutzkappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein Kohlenstoff oder Kohlenstoff mit einem maximalen Anteil von 2,1 %, bevorzugt mit einem maximalen Anteil von 1,2 %, besonders bevorzugt mit einem Anteil von maximal 0,5 % enthalten ist.
Düsenschutzkappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierung eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 10 W/m·K, eine Härte von mindestens HB 150 aufweist und/oder bei normalen Umgebungs- oder Einsatzbedingungen oxidations- und korrosionsbeständig ist.
Lichtbogenplasmabrenner (1) mit einem Brennerkörper (2), einer im Brennerkörper (2) angeordneten Elektrode (3), einer Düse (4), die eine zentrale Düsenöffnung (4a) aufweist und so angeordnet ist, dass sie die Elektrode (3) durch einen Plasmagaskanal (6a) getrennt abdeckt, der zwischen diesen gebildet ist, einer Düsenschutzkappe (7), die eine an ihrer vorderen Endseite angeordnete, der Düsenöffnung (4a) gegenüberliegende Austrittsöffnung (7a) und einen ringförmigen Sekundärgaskanal (9) innerhalb der Düsenschutzkappe (7) aufweist, der mit der Austrittsöffnung (7a) in Verbindung steht, wobei die Düsenschutzkappe (7) bezüglich der Elektrode (3) und der Düse (4) elektrisch isoliert angeordnet ist, und einem Sekundärgasführungsteil (8), das mindestens einen Durchlass (8a) aufweist, die Düsenschutzkappe (7) ist lösbar am Lichtbogenplasmabrenner (1) befestigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenschutzkappe (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Verwendung eines Lichtbogenplasmabrenners nach dem vorhergehenden Anspruch zum Schneiden von Werkstücken, wobei zumindest die Düsenschutzkappe (7) und das jeweilige Werkstück unterhalb einer Wasseroberfläche angeordnet sind.