Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrteiliges Isolierteil für einen Lichtbogenplasmabrenner, insbesondere einen Plasmaschneidbrenner, zur elektrischen Isolation zwischen mindestens zwei elektrisch leitfähigen Bauteilen des Plasmabrenners, Anordnungen und Plasmabrenner mit einem derartigen Isolierteil, Plasmabrenner mit einer derartigen Anordnung sowie Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem thermischen Plasma, zum Plasmaschneiden und zum Plasmaschweißen.
Plasmabrenner werden ganz allgemein zur thermischen Bearbeitung elektrisch leitfähiger Materialien, wie Stahl und Nichteisenmetalle, eingesetzt. Dabei werden Plasmaschweißbrenner zum Schweißen und Plasmaschneidbrenner zum Schneiden elektrisch leitfähiger Materialien, wie Stahl und Nichteisenmetalle, eingesetzt. Plasmabrenner bestehen üblicherweise aus einem Brennerkörper, einer Elektrode, einer Düse und einer Halterung dafür. Moderne Plasmabrenner verfügen zusätzlich über eine über der Düse angebrachte Düsenschutzkappe. Oft wird eine Düse mittels einer Düsenkappe fixiert.
Die durch den Betrieb des Plasmabrenners infolge der durch den Lichtbogen verursachten hohen thermischen Belastung verschleißenden Bauteile sind je nach Plasmabrennertyp insbesondere die Elektrode, die Düse, die Düsenkappe, die Düsenschutzkappe, die Düsenschutzkappenhalterung und die Plasmagasführungs- und Sekundärgasführungsteile. Diese Bauteile können durch einen Bediener leicht gewechselt werden und somit als Verschleißteile bezeichnet werden.
Die Plasmabrenner sind über Leitungen an eine Stromquelle und eine Gasversorgung angeschlossen, die den Plasmabrenner versorgen. Weiterhin kann der Plasmabrenner an einer Kühleinrichtung für ein Kühlmedium, wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit, angeschlossen sein.
Bei Plasmaschneidbrennern treten besonders hohe thermische Belastungen auf. Das hat seine Ursache in der starken Einschnürung des Plasmastrahls durch die Düsenbohrung. Hier werden im Vergleich zum Plasmaschweißen auf den Schneidstrom bezogen kleine Bohrungen verwendet, damit hohe Stromdichten von 50 bis 150 A/mm2 in der Düsenbohrung, hohe Energiedichten von ca. 2×106 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. Beim Plasmaschneiden werden oft auch oxidierende Gase eingesetzt, um unlegierte Stähle zu schneiden. Dies führt auch zusätzlich zu einer hohen thermischen Belastung der Verschleißteile und des Plasmaschneidbrenners.
Auf die Plasmaschneidbrenner wird nachfolgend besonders eingegangen.
Zwischen der Elektrode und der Düse strömt ein Plasmagas. Das Plasmagas wird durch ein Gasführungsteil, das auch mehrteilig sein kann, 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 Düse und somit für die Ausbildung eines Lichtbogens sorgt. Der zwischen Elektrode und Düse brennende Lichtbogen wird auch als Pilotlichtbogen bezeichnet.
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.
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.
Die Elektrode besteht oft aus einem Elektrodenhalter und einem Emissionseinsatz, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, der eine hohe Schmelztemperatur (>2000°C) und eine geringere Elektronenaustrittsarbeit als der Elektrodenhalter aufweist. Als Werkstoffe für den Emissionseinsatz werden beim Einsatz nicht oxidierende Plasmagase, wie bspw. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium und Gemische derselben, Wolfram und beim Einsatz oxidierender Gase, wie zum Beispiel Sauerstoff, Luft und Gemische derselben, Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch und Gemische mit anderen Gasen, Hafnium oder Zirkonium eingesetzt.
Der Hochtemperaturwerkstoff kann in einen Elektrodenhalter, der aus gut Wärme und elektrisch gut leitendem Werkstoff besteht, eingepasst, zum Beispiel mit Form- und/oder Kraftschluss eingepresst werden.
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.
Bei modernen Plasmaschneidbrennern befindet sich zusätzlich außerhalb der Düse und/oder der Düsenkappe zusätzlich 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.
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.
Die Elektrode und die Düse können aber auch indirekt gekühlt werden. Dabei stehen sie mit einem Bauteil, das aus einem gut Wärme und elektrisch gut leitenden 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.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass nur die Elektrode oder nur die Düse mit Flüssigkeit gekühlt werden. Gerade in diesem Fall treten oft zu hohe Temperaturen an dem nur gasgekühlten Bauteil auf, das dann schnell verschleißt oder sogar zerstört wird. Dies führt auch zu großen Temperaturdifferenzen zwischen den Bauteilen im Plasmaschneidbrenner und dadurch zu mechanischen Spannungen und zusätzlichen Beanspruchungen.
Die Düsenschutzkappe wird meist nur durch das Sekundärgas gekühlt. Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Düsenschutzkappe direkt oder indirekt durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt wird.
Die Gaskühlung (Plasmagas- und/oder Sekundärgaskühlung) hat den Nachteil, dass sie nicht effektiv und der benötigte Gasvolumenstrom sehr hoch ist, um eine akzeptable Kühlung oder Wärmeabfuhr zu erreichen. Plasmaschneidbrenner mit Wasserkühlung benötigen bspw. Gasvolumenströme von 500 l/h bis 4000 l/h, während Plasmaschneidbrenner ohne Wasserkühlung Gasvolumenströme von 5000 bis 11000 l/h benötigen. Diese Bereiche ergeben sich in Abhängigkeit von den verwendeten Schneidströmen, die bspw. in einem Bereich von 20 bis 600 A liegen können. Gleichzeitig soll der Volumenstrom des Plasmagases und/oder Sekundärgases so gewählt werden, dass die besten Schneidergebnisse erreicht werden. Zu große Volumenströme, die für die Kühlung aber notwendig sind, verschlechtern oft das Schnittergebnis.
Zudem ist der durch große Volumenströme verursachte hohe Gasverbrauch unwirtschaftlich.
Dies gilt besonders dann, wenn andere Gase als Luft, also bspw. Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder Helium verwendet werden.
Die Verwendung einer direkten Wasserkühlung für alle Verschleißteile dagegen ist sehr effektiv, führt aber zu einer Vergrößerung der Abmessungen des Plasmaschneidbrenners, da bspw. die Kühlkanäle notwendig sind, um die Kühlflüssigkeit zu dem zu kühlenden Verschleißteil hin- und wieder wegzuführen. Zusätzlich ist beim Wechsel der direkt flüssigkeitsgekühlten Verschleißteile viel Sorgfalt nötig, da möglichst keine Kühlflüssigkeit zwischen den Verschleißteilen im Plasmaschneidbrenner verbleiben soll, da dies zur Beschädigung des Plasmabrenners führen kann, wenn der Lichtbogen gezündet wird.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, für eine effektivere Kühlung von Bauteilen, insbesondere Verschleißteilen, eines Plasmabrenners zu sorgen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein mehrteiliges Isolierteil nach Anspruch 1.
Dabei soll der Ausdruck "elektrisch nicht leitend" auch umfassen, dass das Material des Plasmabrennerisolierteils geringfügig oder unwesentlich elektrisch leitet. Das Isolierteil kann bspw. ein Plasmagasführungsteil, Sekundärgasführungsteil oder Kühlgasführungsteil sein.
Des Weiteren wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch ein mehrteiliges Isolierteil nach Anspruch 3.
Gemäß einem dritten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein mehrteiliges Isolierteil nach Anspruch 4.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 22.
Ausführungsforms der Erfindung sind in die abhängigen Ansprüchen offenbart.
Andere in der Beschreibung offenbarte Beispiele sind nützlich, um die Erfindung zu verstehen.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch Einsatz eines Materials, das nicht nur elektrisch nicht leitet, sondern auch Wärme gut leitet, eine effektivere und kostengünstigere Kühlung möglich ist sowie kleinere und einfachere Bauformen von Plasmabrennern möglich sind und geringere Temperaturdifferenzen und damit geringere mechanische Spannungen erzielt werden können.
Die Erfindung liefert zumindest in einer oder mehreren besonderen Ausführungsform(en) eine Kühlung von Bauteilen, insbesondere Verschleißteilen, eines Plasmabrenners, die effektiver und/oder kostengünstiger ist und/oder zu geringeren mechanischen Spannungen führt und/oder kleinere und/oder einfachere Plasmabrennerbauformen ermöglicht und gleichzeitig für die elektrische Isolation zwischen Bauteilen eines Plasmabrenners zu sorgen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der anhand der schematischen Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Dabei zeigt/zeigen:
Die Elektrode 2 ragt in den hohlen Innenraum 4.2 der Düse 4 hinein. Die Düse ist mit einem Gewinde 4.20 in eine Düsenhalterung 6 mit Innengewinde 6.20 eingeschraubt. Zwischen der Düse 4 und der Elektrode 2 ist das Plasmagasführungsteil 3 angeordnet. In dem Plasmagasführungsteil 3 befinden sich Bohrungen, Öffnungen, Nuten und/oder Aussparungen (nicht dargestellt), durch die das Plasmagas PG strömt. Durch eine entsprechende Anordnung, zum Beispiel mit einem radialen Versatz und/oder einer Neigung zur Mittellinie M radial angeordnete Bohrungen kann das Plasmagas PG in Rotation versetzt werden. Es dient der Stabilisierung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls.
Der Lichtbogen brennt zwischen dem Emissionseinsatz 2.2 und einem Werkstück (nicht dargestellt) und wird durch eine Düsenbohrung 4.1 eingeschnürt. Der Lichtbogen selbst hat schon eine hohe Temperatur, die durch seine Einschnürung noch erhöht wird. Dabei werden Temperaturen von bis zu 30000 K angegeben. Deshalb werden die Elektrode 2 und die Düse 4 mit einem Kühlmedium gekühlt. Als Kühlmedium kann eine Flüssigkeit, im einfachsten Fall Wasser, ein Gas, im einfachsten Fall Luft oder ein Gemisch daraus, im einfachsten Fall ein Luft-Wasser-Gemisch, das als Aerosol bezeichnet wird, eingesetzt werden. Die Flüssigkeitskühlung gilt als die effektivste. In einem Innenraum 2.10 der Elektrode 2 befindet sich ein Kühlrohr 10, durch das das Kühlmittel vom Kühlmittelvorlauf WV2 durch den Kühlmittelraum 10.10 zur Elektrode 2 hin in die Nähe des Emissionseinsatzes 2.2 und durch den Raum, der von der Außenfläche des Kühlrohrs 10 in der Innenfläche der Elektrode 2 gebildet wird, zum Kühlmittelrücklauf WR2 zurückgeführt wird.
Die Düse 4 wird in diesem Beispiel indirekt über die Düsenhalterung 6, zu der das Kühlmittel durch einen Kühlmittelraum 6.10 (WV1) und über einen Kühlmittelraum 6.11 wieder weggeführt wird (WR1), gekühlt. Das Kühlmittel strömt meist mit einem Volumenstrom von 1 bis 10 l/min. Die Düse 4 und die Düsenhalterung 6 bestehen aus einem Metall. Durch den mit Hilfe des Außengewindes 4.20 der Düse 4 und des Innengewindes 6.20 der Düsenhalterung 6 gebildeten mechanischen Kontakt wird die in der Düse 4 entstehende Wärme in die Düsenhalterung 6 geführt und durch das strömende Kühlmedium (WV1, WR1) abgeführt.
Das als Plasmagasführungsteil 3 ausgebildete Isolierteil ist in diesem Beispiel einteilig ausgebildet und besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material. Durch Einsatz eines solchen Isolierteils wird eine elektrische Isolierung zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 erreicht. Dies ist für den Betrieb des Plasmaschneidbrenners 1, nämlich die Hochspannungszündung und das Betreiben eines zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 brennenden Pilotlichtbogens notwendig. Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Elektrode 2 und der Düse 4 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin über das Wärme gut leitende als Plasmagasführungsteil 3 ausgebildete Isolierteil geleitet. Es erfolgt also ein zusätzlicher Wärmeaustausch über das Isolierteil. Das Plasmagasführungsteil 3 steht mit der Elektrode 2 und der Düse 4 durch Berührung über Kontaktflächen in Kontakt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kontaktfläche 2.3 beispielhaft eine zylindrische Außenfläche der Elektrode 2 und eine Kontaktfläche 3.5 eine zylindrische Innenfläche des Plasmagasführungsteils 3. Eine Kontaktfläche 3.6 ist eine zylindrische Außenfläche des Plasmagasführungsteils 3 und eine Kontaktfläche 4.3 ist eine zylindrische Innenfläche der Düse 4.Vorzugsweise wird hier eine Spielpassung mit geringem Spiel, zum Beispiel H7/h6 nach DIN EN ISO 286 zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen genutzt, um einerseits das Ineinanderstecken und andererseits einen guten Kontakt und damit geringen Wärmewiderstand und damit guten Wärmeübergang zu realisieren. Der Wärmeübergang kann durch Aufbringen von Wärmeleitpaste an diesen Kontaktflächen verbessert werden. (Anmerkung: Auch wenn eine Wärmeleitpaste eingesetzt wird, soll dies auch noch unter den Begriff "direkter Kontakt" fallen.) Dann kann eine Passung mit einem größeren Spiel, zum Beispiel H7/g6 verwendet werden. Weiterhin verfügen die Düse 4 und das Plasmagasführungsteil 3 hier jeweils über eine Kontaktfläche 4.5 und 3.7, die hier Kreisringflächen sind und miteinander durch Berührung in Kontakt stehen. Es handelt sich dabei um eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Kreisringflächen, die durch das Einschrauben der Düse 4 in die Düsenhalterung 6 realisiert wird.
Durch die gute Wärmeleitfähigkeit können hohe Temperaturdifferenzen zwischen der Düse 4 und der Elektrode 2 vermieden und dadurch verursachte mechanische Spannungen im Plasmaschneidbrenner 1 reduziert werden.
Als elektrisch nicht leitendes und Wärme gut leitendes Material ist hier beispielhaft ein Keramikwerkstoff eingesetzt. Besonders eignet sich Aluminiumnitrid, das nach DIN 60672 eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗ cm) besitzt.
In
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kontaktfläche 2.3 beispielhaft eine zylindrische Außenfläche der Elektrode 2 und eine Kontaktfläche 3.5 eine zylindrische Innenfläche des Plasmagasführungsteils 3. Eine Kontaktfläche 3.6 ist eine zylindrische Außenfläche des Plasmagasführungsteils 3 und eine Kontaktfläche 4.3 ist eine zylindrische Innenfläche der Düse 4. Vorzugsweise wird hier eine Spielpassung mit geringem Spiel, zum Beispiel H7/h6 nach DIN EN ISO 286 zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen benutzt, um einerseits das Ineinanderstecken und andererseits einen guten Kontakt und damit geringen Wärmewiderstand und damit guten Wärmeübergang zu realisieren. Der Wärmeübergang kann durch Aufbringen von Wärmeleitpaste an diesen Kontaktflächen verbessert werden. Dann kann eine Passung mit einem größeren Spiel, zum Beispiel H7/g6 verwendet werden. Weiterhin verfügen die Düse 4 und das Plasmagasführungsteil 3 hier jeweils über eine Kontaktfläche 4.5 bzw. 3.7, die hier Kreisringflächen sind und miteinander durch Berührung in Kontakt stehen. Es handelt sich dabei um eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Kreisringflächen, die durch das Einschrauben der Düse 4 in die Düsenhalterung 6 realisiert wird.
Der Wegfall der indirekten Kühlung für die Düse 4 führt zu einer erheblichen Vereinfachung des Aufbaus des Plasmaschneidbrenners 1, da die Kühlmittelräume der Düsenhalterung 6, die sonst notwendig sind, um das Kühlmittel hin- und wieder wegzuführen, entfallen. Die Kühlung der Elektrode erfolgt wie in
In der
Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung des Aufbaus des Plasmabrenners 1 und der Elektrode 2, da das in den
Der in der
Zwischen der Düse 4 und einer Elektrode 2 ist ein als ein Plasmagasführungsteil 3 ausgebildetes Isolierteil angeordnet. Damit werden die gleichen Vorteile erreicht, wie sie im Zusammenhang mit der
Ein Vorteil gegenüber dem in
Auch die Düsenkappe 5 wird durch das Kühlmittel, das durch den Kühlmittelraum 4.10 fließt, der durch die Außenfläche der Düse 4 und die Innenfläche der Düsenkappe 5 gebildet wird, gekühlt. Die Erwärmung der Düsenkappe 5 erfolgt vor allem durch die Strahlung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls und des erhitzten Werkstücks.
Allerdings ist der Aufbau des Plasmaschneidbrenners 1 komplizierter, da zusätzlich eine Düsenkappe 5 benötigt wird. Als Kühlmittel wird hier vorzugsweise eine Flüssigkeit, im einfachsten Fall Wasser, verwendet.
Für die Kühlung der Elektrode 2 und der Düse 4 gelten die zum Plasmaschneidbrenner 1 gemäß
Bei dem in
Das Sekundärgas SG strömt zunächst durch den Plasmaschneidbrenner 1, bevor es durch einen ersten Raum 9.10 gelangt, der von den Innenflächen der Düsenschutzkappenhalterung 9 und der Düsenschutzkappe 8 sowie den Außenflächen der Düsenhalterung 6 und der Düse 4 gebildet wird. Der erste Raum 9.10 wird außerdem durch ein als ein Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildetes Isolierteil, das sich zwischen der Düse 4 und der Düsenschutzkappe 8 befindet, begrenzt. Das Sekundärgasführungsteil 7 kann mehrteilig ausgebildet sein.
In dem Sekundärgasführungsteil 7 befinden sich Bohrungen 7.1. Es können aber auch Öffnungen, Nuten oder Aussparungen sein, durch die das Sekundärgas SG strömt. Durch eine entsprechende Anordnung der Bohrungen 7.1, zum Beispiel mit einem radialen Versatz und/oder einer Neigung zur Mittellinie M radial angeordnet, kann das Sekundärgas in Rotation versetzt werden. Dies dient der Stabilisierung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls.
Nach dem Passieren des Sekundärgasführungsteils 7 strömt das Sekundärgas in einen Innenraum 8.10, der durch die Innenfläche der Düsenschutzkappe 8 und die Außenfläche der Düse 4 gebildet wird, und tritt danach aus der Bohrung 8.1 der Düsenschutzkappe 8 aus. Bei brennendem Lichtbogen bzw. Plasmastrahl trifft das Sekundärgas auf diesen und kann ihn beeinflussen.
Die Düsenschutzkappe 8 wird meist nur durch das Sekundärgas SG gekühlt. Die Gaskühlung hat den Nachteil, dass sie nicht effektiv und der benötigte Gasvolumenstrom sehr hoch ist, um eine akzeptable Kühlung oder Wärmeabfuhr zu erreichen. Hier sind oft Gasvolumenströme von 5.000 bis 11.000 l/h nötig. Gleichzeitig muss der Volumenstrom des Sekundärgases so gewählt werden, dass die besten Schneidergebnisse erreicht werden. Zu große Volumenströme, die für die Kühlung aber notwendig sind, verschlechtern oft das Schnittergebnis.
Zudem ist der durch große Volumenströme verursachte hohe Gasverbrauch unwirtschaftlich. Dies gilt besonders dann, wenn andere Gase als Luft, also bspw. Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder Helium verwendet werden.
Diese Nachteile werden durch den Einsatz des als das Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildeten Isolierteils beseitigt. Durch Einsatz eines solchen Isolierteils wird eine elektrische Isolierung zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 erreicht. Die elektrische Isolierung schützt in Kombination mit dem Sekundärgas SG die Düse 4 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und dem Werkstück ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse 4 oder der Düsenschutzkappe 8 führen.
Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin, in diesem Fall von der Düsenschutzkappe 8 zur Düse 4, über das Wärme gut leitende, als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Sekundärgasführungsteil 7 steht mit der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 durch Berührung in Kontakt. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über kreisringförmige Flächen 8.2 der Düsenschutzkappe 8 und 7.4 des Sekundärgasführungsteils 7 sowie die kreisringförmigen Flächen 7.5 des Sekundärgasführungsteils 7 und 4.4 der Düse 4. Es handelt sich um kraftschlüssige Verbindungen, wobei die Düsenschutzkappe 8 mit Hilfe der Düsenschutzkappenhalterung 9, die mit einem Innengewinde 9.20 an einem Außengewinde 11.20 eine Aufnahme 11 verschraubt ist. So wird diese nach oben gegen das Sekundärgasführungsteil 7 und diese gegen die Düse 4 gepresst.
Auf diese Art wird die Wärme von der Düsenschutzkappe 8 hin zur Düse 4 hin geleitet und damit gekühlt. Die Düse 4 wiederum wird, wie in der Beschreibung zur
Bohrungen 4.1 der Düse 4 und 8.1 der Düsenschutzkappe 8 liegen auf einer Mittellinie M. Die Innenflächen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenschutzkappenhalterung 9 bilden mit den Außenflächen der Düsenkappe 5 und der Düse 4 Räume 8.10 bzw. 9.10, durch das ein Sekundärgas SG strömen kann. Das Sekundärgas tritt aus der Bohrung 8.1 der Düsenschutzkappe 8 aus, umhüllt den Plasmastrahl (nicht dargestellt) und sorgt für eine definierte Atmosphäre um selbigen. Zusätzlich schützt das Sekundärgas SG die Düse 4, Düsenkappe 5 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und einem Werkstück (nicht gezeigt) ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse 4, der Düsenkappe 5 und der Düsenschutzkappe 8 führen. Insbesondere beim Einstechen in ein Werkstück werden die Düse 4, die Düsenkappe 5 und die Düsenschutzkappe 8 durch heißes hochspritzendes Material stark belastet. Das Sekundärgas SG, dessen Volumenstrom beim Einstechen gegenüber dem Wert beim Schneiden erhöht sein kann, hält das hochspritzende Material von der Düse 4, der Düsenkappe 5 und der Düsenschutzkappe 8 fern und schützt so vor Beschädigung.
Für die Kühlung der Elektrode 2, der Düse 4 und der Düsenkappe 5 gelten die in der Beschreibung der
Die Erwärmung der Düsenschutzkappe 8 erfolgt insbesondere durch die Strahlung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls und des erhitzten Werkstücks. Besonders beim Einstechen in das Werkstück wird die Düsenschutzkappe 8 durch hochspritzendes glühendes Material thermisch stark belastet und aufgeheizt und muss gekühlt werden. Deshalb werden dafür gut Wärme und elektrisch gut leitende Materialien, in der Regel Metalle, zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen oder Legierungen, in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist, verwendet.
Das Sekundärgas SG strömt zunächst durch den Plasmabrenner 1, bevor es durch einen Raum 9.10, der von den Innenflächen der Düsenschutzkappenhalterung 9 und der Düsenschutzkappe 8 sowie den Außenflächen einer Düsenhalterung 6 und der Düsenkappe 5 gebildet wird, gelangt. Der Raum 9.10 wird außerdem durch ein als Sekundärgasführungsteil 7 für das Sekundärgas SG ausgebildetes Isolierteil, das sich zwischen der Düsenkappe 5 und der Düsenschutzkappe 8 befindet, begrenzt.
In dem Sekundärgasführungsteil 7 befinden sich Bohrungen 7.1. Es können aber auch Öffnungen, Nuten oder Aussparungen sein, durch die das Sekundärgas SG strömt. Durch eine entsprechende Anordnung dieser, zum Beispiel einen radialen Versatz aufweisenden und/oder mit einer Neigung zur Mittellinie M radial angeordneten Bohrungen 7.1 kann das Sekundärgas SG in Rotation versetzt werden. Dies dient der Stabilisierung des Lichtbogens bzw. des Plasmastrahls.
Nach dem Passieren des Sekundärgasführungsteils 7 strömt das Sekundärgas SG in den Raum (Innenraum) 8.10, der durch die Innenfläche der Düsenschutzkappe 8 und die Außenfläche der Düsenkappe 5 und der Düse 4 gebildet wird, und tritt danach aus der Bohrung 8.1 der Düsenschutzkappe 8 aus. Bei brennendem Lichtbogen bzw. Plasmastrahl trifft das Sekundärgas SG auf diesen und kann ihn beeinflussen.
Die Düsenschutzkappe 8 wird meist nur durch das Sekundärgas SG gekühlt. Die Gaskühlung hat den Nachteil, dass sie nicht effektiv und der benötigte Gasvolumenstrom sehr hoch ist, um eine akzeptable Kühlung oder Wärmeabfuhr zu erreichen. Hier sind oft Gasvolumenströme von 5.000 bis 11.000 l/h nötig. Gleichzeitig muss der Volumenstrom des Sekundärgases so gewählt werden, dass die besten Schneidergebnisse erreicht werden. Zu große Volumenströme, die für die Kühlung aber notwendig sind, verschlechtern oft das Schnittergebnis. Zudem ist der durch große Volumenströme verursachte hohe Gasverbrauch unwirtschaftlich. Dies gilt besonders dann, wenn andere Gase als Luft, also beispielsweise Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder Helium verwendet werden. Diese Nachteile werden durch den Einsatz des als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildeten Isolierteils beseitigt. Durch Einsatz eines solchen Isolierteils wird die elektrische Isolierung zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 und damit auch der Düse 4 erreicht. Die elektrische Isolation schützt in Kombination mit dem Sekundärgas SG die Düse 4, die Düsenkappe 5 und die Düsenschutzkappe 8 vor Lichtbögen, die sich zwischen ihnen und einem Werkstück (nicht gezeigt) ausbilden können. Diese werden als Doppellichtbögen bezeichnet und können zur Beschädigung der Düse, Düsenkappe und Düsenschutzkappe führen.
Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Düsenschutzkappe 8 und Düsenkappe 5 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin, in diesem Fall von der Düsenschutzkappe 8 zur Düsenkappe 5, über das Wärme gut leitende, als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Sekundärgasführungsteil 7 steht mit der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 durch Berührung in Kontakt. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch kreisringförmige Flächen 8.2 der Düsenschutzkappe 8 und 7.4 des Sekundärgasführungsteils 7 sowie die kreisringförmigen Flächen 7.5 des Sekundärgasführungsteil 7 und 5.3 der Düsenkappe 5. Es handelt sich in diesem Beispiel um kraftschlüssige Verbindungen, wobei die Düsenschutzkappe 8 mit Hilfe der Düsenschutzkappenhalterung 9 mit einem Innengewinde 9.20 an einem Außengewinde 11.20 einer Aufnahme 11 verschraubt ist. So wird diese nach oben gegen das Sekundärgasführungsteil 7 für das Sekundärgas SG und diese gegen die Düsenkappe 5 gepresst. Auf diese Art wird die Wärme von der Düsenschutzkappe 8 hin zur Düsenkappe 5 geleitet und damit gekühlt. Die Düsenkappe 5 wiederum wird, wie in der Beschreibung der
Kühlmittel wird gleichzeitig durch Kühlmittelräume 6.10 und 6.11 der Düsenhalterung 6 zur Düse 4 und Düsenkappe 5 geführt und kühlt diese.
Die Düsenschutzkappenhalterung 9 ist mit ihrem Innengewinde 9.20 am Außengewinde 11.20 des Teils 11.1 der Aufnahme 11 verschraubt.
Das elektrisch nicht leitende und Wärme gut leitende Material ist aus Keramik, beispielsweise Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand ca. 1012 Ω∗cm besitzt, hergestellt. Das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material ist hier ein Metall, zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, legierter Stahl oder Legierungen (zum Beispiel Messing), in denen zumindest eines dieser Metalle enthalten ist.
Generell ist von Vorteil, wenn das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/(m∗K)Ω und einen spezifischen elektrischen Widerstand von höchstens 0,01 Ω∗cm hat. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 60 W/(m∗K), besser mindestens 90 W/(m∗K) und vorzugsweise 120 W/(m∗K) hat. Noch bevorzugter weist das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 150 W/(m∗K), besser mindestens 200 W/(m∗K) und vorzugweise mindestens 300 W/(m∗K) auf. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das elektrisch gut leitende und Wärme gut leitende Material ein Metall, wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen, legierter Stahl oder eine metallische Legierung (z. B. Messing) ist, in der diese Metalle einzeln oder in Summe zumindest zu 50 % enthalten sind.
Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Materialien hat den Vorteil, dass für das kompliziertere Teil, in dem unterschiedliche Formen benötigt werden, beispielsweise unterschiedliche Bohrungen, Aussparungen, Nuten, Öffnungen etc., das Material verwendet werden kann, das einfacher und kostengünstiger bearbeitet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist dies ein Metall, das einfacher als Keramik bearbeitet werden kann. Beide Teile (11.1 und 11.2) sind kraftschlüssig durch Ineinanderpressen miteinander berührend verbunden, wodurch ein guter Wärmeübergang zwischen den zylindrischen Kontaktflächen 11.5 und 11.6 der beiden Teile 11.1 und 11.2 erreicht wird. Das Teil 11.2 der Aufnahme 11. hat Kühlmitteldurchlässe 11.10 und 11.11 für den Kühlmittelvor- (WV1) und Kühlmittelrücklauf (WR1), die hier als Bohrungen ausgeführt sind. Durch diese strömt das Kühlmittel und kühlt so.
Wie sich anhand der
Die Düsenschutzkappenhalterung 9 mit ihrem Innengewinde 9.20 ist am Außengewinde 11.20 des Teils 11.1 der Aufnahme 11 verschraubt.
Bei dieser Ausführungsform besteht der Vorteil darin, dass das Außengewinde in das metallische Material, das für das Teil 11.1 verwendet wird, eingebracht werden kann und nicht die schwerer zu bearbeitende Keramik.
Die
Das in den
In dem Plasmagasführungsteil 3 befinden sich radial angeordnete Bohrungen 3.1, die bspw. radial versetzt und/oder zur Mittellinie M radial geneigt sein können und ein Plasmagas PG im Plasmaschneidbrenner rotieren lassen. Wenn das Plasmagasführungsteil 3 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist, steht seine Kontaktfläche 3.6 (hier zum Beispiel zylindrische Außenfläche) mit der Kontaktfläche 4.3 (hier zum Beispiel zylindrische Innenfläche) der Düse 4, ihre Kontaktfläche 3.5 (hier zum Beispiel zylindrische Innenfläche) mit der Kontaktfläche 2.3 (hier zum Beispiel zylindrische Außenfläche) der Elektrode 2 sowie ihre Kontaktfläche 3.7 (hier zum Beispiel kreisringförmige Fläche) mit der Kontaktfläche 4.5 (hier zum Beispiel kreisringförmige Fläche) der Düse 4 durch Berührung in Kontakt (
Die
Für das Teil 3.2 des Plasmagasführungsteils 3 wird hier beispielhaft Keramik, wiederum als Beispiel Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (1012 Ω∗cm) besitzt, verwendet. Für das Teil 3.3 des Sekundärgasführungsteils 3 wird hier ein Metall, wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen, legierter Stahl oder eine metallische Legierung (z. B. Messing), in der diese Metalle einzeln oder in Summe zumindest zu 50 % enthalten sind, verwendet.
Wenn für das Teil 3.3 bspw. Kupfer eingesetzt wird, wird die Wärmeleitfähigkeit des Plasmagasführungsteils 3 größer, als wenn diese nur aus elektrisch nicht leitendem und Wärme gut leitendem Material, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid, bestehen würde. Kupfer hat je nach Reinheit eine höhere Wärmeleitfähigkeit (max. ca. 390 W/(m∗K)) als Aluminiumnitrid (ca. 180 W/(m∗K)), das gegenwärtig als einer der am besten Wärme leitenden und gleichzeitig nicht elektrisch gut leitenden Werkstoff gilt. Inzwischen gibt es auch Aluminiumnitrid mit einer Wärmeleitfähigkeit von 220 W/(m∗K).
Dies führt durch die bessere Wärmeleitfähigkeit zu einem noch besseren Wärmeaustausch zwischen der Düse 4 und der Elektrode 2 des Plasmaschneidbrenners 1 gemäß den
Im einfachsten Fall sind die Teile 3.2 und 3.3 durch Übereinanderschieben der Kontaktflächen 3.21 und 3.31 verbunden.
Die Teile 3.2 und 3.3 können auch kraftschlüssig durch die aneinandergepressten, sich gegenüberliegenden und berührenden Kontaktflächen 3.20 mit 3.30, 3.21 mit 3.31 und 3.22 bis 3.32 verbunden sein. Die Kontaktflächen 3.20, 3.21 und 3.22 sind Kontaktflächen des Teils 3.2 und die Kontaktflächen 3.30, 3.31 und 3.32 sind Kontaktflächen des Teils 3.3. Die zylindrisch ausgebildeten Kontaktflächen 3.31 (zylindrische Außenfläche des Teils 3.3) und 3.21 (zylindrische Innenfläche des Teils 3.2) bilden durch Ineinanderpressen eine kraftschlüssige Verbindung. Hier wird eine Übermaßpassung DIN EN ISO 286 (zum Beispiel H7/n6; H7/m6) zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen angewandt.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, beide Teile (3.2 und 3.3) durch Formschluss, durch Löten und/oder durch Kleben und/oder durch ein thermisches Verfahren miteinander zu verbinden.
Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger als diejenige eines Metalls ist, sinkt der Bearbeitungsaufwand. Hier sind beispielsweise sechs Bohrungen 3.1 in den metallischen Teil 3.3 eingebracht, die einen radialen Versatz a1 aufweisen und im Winkel α1 äquidistant auf dem Umfang der Plasmagasführung verteilt. Es sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Nuten, Aussparungen, Bohrungen etc., einfacher herstellbar, wenn sie in das Metall eingebracht werden.
Die
Für das Teil 3.2 des Plasmagasführungsteils 3 wird hierbei beispielhaft Keramik, wiederum als Beispiel Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗cm) besitzt, verwendet. Für das Teil 3.3 des Plasmagasführungsteils 3 kann bspw. ein Kunststoff, zum Beispiel PEEK, PTFE (Polytetrafluorethen), Torlon, Polyamidimid (PAI), Polyimid (PI), der eine hohe Temperaturfestigkeit (mindestens 200°C) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (mindestens 106, besser mindestens 1010 Ω∗cm) aufweist, verwendet werden.
Im einfachsten Fall sind die Teile 3.2 und 3.3 durch Übereineinanderschieben der Kontaktflächen 3.21 und 3.31 verbunden. Sie können auch kraftschlüssig durch die aneinandergepressten, sich gegenüberliegenden und berührenden Kontaktflächen 3.20 mit 3.30, 3.21 bis 3.31 und 3.22 bis 3.32 verbunden sein. Die zylindrisch ausgebildeten Kontaktflächen 3.31 (zylindrische Außenfläche des Teils 3.3) und 3.21 (zylindrische Innenfläche des Teils 3.2) bilden dann durch Ineinanderpressen die kraftschlüssige Verbindung. Hier wird eine Übermaßpassung DIN EN ISO 286 (zum Beispiel H7/n6; H7/m6) zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen angewandt. Es ist weiterhin möglich, beide Teile (3.2 und 3.3) durch Formschluss und/oder durch Kleben miteinander zu verbinden.
Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger ist als diejenige eines Kunststoffs, sinkt der Bearbeitungsaufwand. Hier sind beispielsweise sechs Bohrungen 3.1 in das Kunststoff Teil 3.3 eingebracht, die einen radialen Versatz a1 aufweisen und im Winkel α1 äquidistant auf dem Umfang der Gasführung verteilt. Es sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Nuten, Aussparungen, Bohrungen etc. einfacher herstellbar, wenn sie in den Kunststoff eingebracht werden.
Die
Die Teile 3.2 und 3.4 können genauso miteinander verbunden sein wie die Teile 3.2 und 3.3, wobei die Kontaktflächen 3.23 mit 3.43, 3.24 mit 3.44 und 3.25 mit 3.25 verbunden sind.
Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger als diejenige eines Kunststoffs ist, sinkt der Bearbeitungsaufwand und sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Aussparungen, Bohrungen etc. einfacher herstellbar, wenn sie in den Kunststoff eingebracht werden.
Die
Ein Teil 3.2 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme gut leitenden Material, während ein Teil 3.3 aus einem elektrisch nicht leitenden und Wärme nicht leitenden Material besteht.
Im Teil 3.3 des Plasmagasführungsteils 3 befinden sich radial angeordnete Öffnungen, hier Bohrungen 3.1, die radial versetzt und/oder zur Mittellinie M radial geneigt sein können und durch die ein Plasmagas PG strömt, wenn das Plasmagasführungsteil 3 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist (siehe
Das Teil 3.3 hat weitere radial angeordnete Bohrungen 3.9, die größer sind als die Bohrungen 3.1. In diese Bohrungen sind sechs Teile 3.2, die hier beispielhaft als Rundstift dargestellt sind, eingebracht. Diese sind äquidistant in einem Winkel, der sich zwischen Mittelpunktlinien M3.9 ergibt, von a3=60° auf dem Umfang verteilt.
Wenn das Plasmagasführungsteil 3 in den Plasmaschneidbrenner 1 nach den
Die Teile 3.2 weisen einen Durchmesser d3 und eine Länge 13 auf, die mindestens genauso groß ist wie die Hälfte der Differenz der Durchmesser d10 und d20 des Teils 3.3. Noch besser ist es, wenn die Länge 13 geringfügig größer ist, um einen sicheren Kontakt zwischen den Kontaktflächen der Rundstifte 3.2 und der Düse 4 sowie der Elektrode 2 zu erhalten. Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Oberfläche der Kontaktflächen 3.61 und 3.51 nicht eben, sondern der zylindrischen Außenfläche (Kontaktfläche 2.3) der Elektrode 2 und der zylindrischen Innenfläche (Kontaktfläche 4.3) der Düse 4 so angepasst sind, dass ein Formschluss entsteht.
In der Kontaktfläche 3.6 befinden sich Nuten 3.8. Diese leiten das Plasmagas PG zu den Bohrungen 3.1, bevor es durch diese in den Innenraum 4.2 der Düse 4, in dem die Elektrode 2 angeordnet ist, geführt wird.
Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger ist als diejenige eines Kunststoffs, sinkt der Bearbeitungsaufwand und sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Nuten, Aussparungen, Bohrungen etc. einfacher herstellbar, wenn sie in den Kunststoff eingebracht werden. So können trotz Verwendung gleicher Rundstifte unterschiedlichste Gasführungen kostengünstig hergestellt werden.
Weiterhin sind durch die Veränderung der Anzahl oder auch des Durchmessers der Rundstifte 3.2 unterschiedliche thermische Widerstände bzw. thermische Leitfähigkeiten des Plasmagasführungsteils 3 erreichbar.
Wird/Werden der Durchmesser und/oder die Anzahl der Rundstifte reduziert, vergrößert sich der Wärmewiderstand und die thermische Leitfähigkeit sinkt.
Da je nach der im Plasmabrenner bzw. Plasmaschneidbrenner umzusetzenden Leistung von 500 W bis 200 kW sehr unterschiedliche thermische Belastungen der Düsen 4 und der Elektrode 2 entstehen, ist die Anpassung des thermischen Widerstands von Vorteil. So werden bspw. die Herstellkosten reduziert, wenn weniger Bohrungen eingebracht und weniger Rundstifte eingesetzt werden müssen.
Die
Die
Das in den
In dem Sekundärgasführungsteil 7 befinden sich radial angeordnete Bohrungen 7.1, die auch radial oder radial versetzt und/oder zur Mittellinie M radial geneigt sein können und durch die das Sekundärgas SG strömen kann bzw. strömt, wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist. In diesem Beispiel sind 12 Bohrungen um ein Maß a11 radial versetzt und äquidistant auf dem Umfang verteilt, wobei der Winkel, der durch die Mittelpunkte der Bohrungen eingeschlossen ist, mit α11 bezeichnet ist. Es können aber auch Öffnungen, Nuten oder Aussparungen sein, durch die das Sekundärgas SG strömt, wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist. Das Sekundärgasführungsteil 7 verfügt über zwei kreisringförmige Kontaktflächen 7.4 und 7.5.
Durch Einsatz dieses Sekundärgasführungsteils 7 wird die elektrische Isolierung zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 und damit auch der Düse 4 des in den
Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin, in diesem Fall von der Düsenschutzkappe 8 zur Düsenkappe 5, über das Wärme gut leitende, als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Sekundärgasführungsteil 7 steht mit der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 durch Berührung in Kontakt. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch kreisringförmige Flächen 8.2 der Düsenschutzkappe 8 und 7.4 des Sekundärgasführungsteils 7 sowie kreisringförmige Flächen 7.5 des Sekundärgasführungsteils 7 und 5.3 der Düsenkappe 5, die sich, wie in den
Die
Für das Teil 7.2 des Sekundärgasführungsteils 7 wird hier beispielhaft Keramik als Beispiel wiederum Aluminiumnitrid, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 180 W/(m∗K)) und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand (ca. 1012 Ω∗cm) besitzt, verwendet. Für das Teil 7.3 des Sekundärgasführungsteils 7 wird hier ein Metall, wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn, Zink, Eisen, legierter Stahl oder eine metallische Legierung (z. B. Messing), in der diese Metalle einzeln oder in Summe zumindest zu 50 % enthalten sind, verwendet.
Wenn für das Teil 7.3 bspw. Kupfer eingesetzt wird, wird die Wärmeleitfähigkeit des Sekundärgasführungsteils 7 größer, als wenn dies nur aus elektrisch nicht leitendem und Wärme gut leitendem Material, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid, bestehen würde. Kupfer hat je nach Reinheit eine höhere Wärmeleitfähigkeit (max. ca. 390 W/(m∗K)) als Aluminiumnitrid (ca. 180 W/(m∗K)), das gegenwärtig als einer der am besten Wärme leitenden und gleichzeitig nicht elektrisch gut leitenden Werkstoffe gilt. Dies führt durch die bessere Leitfähigkeit zu einem noch besseren Wärmeaustausch zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düsenkappe 5 des Plasmaschneidbrenners 1 der
Im einfachsten Fall sind die Teile 7.2 und 7.3 durch Übereinanderschieben der Kontaktflächen 7.21 und 7.31 verbunden.
Die Teile 7.2 und 7.3 können auch kraftschlüssig durch die aneinandergepressten, sich gegenüberliegenden und berührenden Kontaktflächen 7.20 mit 7.30, 7.21 mit 7.31 und 7.22 mit 7.32 verbunden sein. Die Kontaktflächen 7.20, 7.21 und 7.22 sind Kontaktflächen des Teils 7.2 und die Kontaktflächen 7.30, 7.31 und 7.32 sind Kontaktflächen des Teils 7.3. Die zylindrisch ausgebildeten Kontaktflächen 7.31 (zylindrisch Außenfläche des Teils 7.3) und 7.21 (zylindrische Innenfläche des Teils 7.2) bilden durch Ineinanderpressen eine kraftschlüssige Verbindung. Hier wird eine Übermaßpassung DIN EN ISO 286 (zum Beispiel H7/n6; H/m6) zwischen den zylindrischen Innen- und Außenflächen angewandt.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, beide Teile durch Formschluss, durch Löten und/oder Kleben miteinander zu verbinden.
Da die mechanische Bearbeitung des Keramikwerkstoffs meist schwieriger ist als diejenige eines Metalls, sinkt der Bearbeitungsaufwand. Hier sind beispielsweise zwölf Bohrungen 7.1 in Teil 7.3 aus Metall eingebracht, die einen radialen Versatz a11 aufweisen und im Winkel α11 äquidistant auf dem Umfang der Gasführung verteilt. Es sind auch unterschiedlichste Formen, wie zum Beispiel Nuten, Aussparungen, Bohrungen etc. einfacher herstellbar, wenn sie in das Metall eingebracht werden.
Die
In den
Die
Im Teil 7.3 des Sekundärgasführungsteils 7 befinden sich radial angeordnete Bohrungen 7.1, die auch radial oder radial versetzt und/oder zur Mittellinie M radial geneigt sein können und durch die das Sekundärgas SG strömen kann, wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 eingebaut ist. In diesem Beispiel sind zwölf Bohrungen um ein Maß a11 radial versetzt und äquidistant auf dem Umfang verteilt, wobei der Winkel, der durch die Mittelpunkte der Bohrungen eingeschlossen ist, mit α11 (hier zum Beispiel 30°) bezeichnet ist. Es können aber auch Öffnungen, Nuten oder Aussparungen sein, durch die das Sekundärgas SG strömt, wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 (siehe hierzu zum Beispiel
In den
Wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 gemäß den
Die Teile 7.2 haben einen Durchmesser d7 und eine Länge l7, die mindestens genauso groß ist wie die Breite b des Teils 7.3. Noch besser ist es, wenn die Länge 17 geringfügig größer ist, um einen sicheren Kontakt zwischen den Kontaktflächen der Rundstifte 7.2 und der Düsenkappe 5 sowie der Düsenschutzkappe 8 zu erhalten.
Die
Wenn das Sekundärgasführungsteil 7 in den Plasmaschneidbrenner 1 gemäß den
Die Teile 7.2 weisen einen Durchmesser d7 und eine Länge 171 auf. Die Teile 7.6 haben in diesem Beispiel den gleichen Durchmesser und eine Länge l72, wobei die Summe der Längen 171 und l72 mindestens genauso groß wie die Breite b des Teils 7.3 ist. Noch besser ist es, wenn die Summe der Längen geringfügig größer, beispielsweise größer als 0,1 mm ist, um einen sicheren Kontakt zwischen den Kontaktflächen 7.51 der Rundstifte 7.2 und der Düsenkappe 5 sowie den Kontaktflächen 7.41 der Rundstifte 7.6 und der Düsenschutzkappe 8 zu erhalten.
Wie die
Die in den
Gleichzeitig wird Wärme zwischen der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 vom wärmeren zum kälteren Bauteil hin, in diesem Fall von der Düsenschutzkappe 8 zur Düse 4, über das Wärme gut leitende als Sekundärgasführungsteil 7 ausgebildete Isolierteil übertragen. Das Sekundärgasführungsteil 7 steht mit der Düsenschutzkappe 8 und der Düse 4 durch Berührung in Kontakt. Dies erfolgt für die in den
In den Ausführungsbeispielen des in den
Die
Dabei zeigt
In diesen Ausführungsbeispielen kann das Sekundärgasführungsteil 7 mit der Düse 4 im einfachsten Fall durch Übereinanderschieben verbunden sein. Sie können aber auch form- und kraftschlüssig oder durch Kleben verbunden sein. Bei der Verwendung von Metall/Metall und/oder Metall/Keramik an der Verbindungsstelle ist auch das Löten als Verbindung möglich.
Die
Dabei zeigt
In diesen Ausführungsbeispielen kann das Sekundärgasführungsteil 7 mit der Düsenkappe 5 im einfachsten Fall durch Übereinanderschieben verbunden sein. Sie können aber auch form- und kraftschlüssig oder der Kleben verbunden sein. Bei der Verwendung von Metall/Metall und/oder Metall/Keramik an der Verbindungsstelle ist auch das Löten als Verbindung möglich.
Die
Dabei zeigt
In diesen Ausführungsbeispielen kann das Sekundärgasführungsteil 7 mit der Düsenschutzkappe 8 im einfachsten Fall durch Übereinanderschieben verbunden sein. Sie können aber auch form- und kraftschlüssig oder Kleben verbunden sein. Bei der Verwendung von Metall/Metall und/oder Metall/Keramik an der Verbindungsstelle ist auch das Löten als Verbindung möglich.
Die
Dabei zeigt
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kontaktfläche 2.3 beispielhaft eine zylindrische Außenfläche der Elektrode 2 und eine Kontaktfläche 3.5 eine zylindrische Innenfläche des Plasmagasführungsteils 3. Vorzugsweise wird hier eine Spielpassung mit geringem Spiel, zum Beispiel H7/h6 nach DIN EN ISO 286 zwischen der zylindrischen Innen- und Außenfläche benutzt, um einerseits das Ineinanderstecken und andererseits einen guten Kontakt und damit geringen Wärmewiderstand und damit guten Wärmeübergang zu realisieren. Der Wärmeübergang kann durch Aufbringen von Wärmeleitpaste an diesen Kontaktflächen verbessert werden. Dann kann eine Passung mit einem größeren Spiel, zum Beispiel H7/g6 verwendet werden.
Es ist auch möglich, eine Übermaßpassung zwischen dem Plasmagasführungsteil 3 und der Elektrode 2 zu verwenden. Dies verbessert natürlich den Wärmeübergang. Das hat aber zur Folge, dass Elektrode 2 und Plasmagasführungsteil 3 nur gemeinsam im Plasmaschneidbrenner 1 ausgetauscht werden können.
Die
In dieser Anordnung stehen Kontaktflächen 3.51 der Rundstifte 3.2 des Plasmagasführungsteils 3 mit einer Kontaktfläche 2.3 (hier zum Beispiel zylindrische Außenfläche) der Elektrode 2 durch Berührung in Kontakt (siehe auch
Die Teile 3.2 haben einen Durchmesser d3 und eine Länge 13, die mindestens genauso groß ist wie die Hälfte der Differenz der Durchmesser d10 und d20 des Teils 3.3. Noch besser ist es, wenn die Länge 13 geringfügig größer ist, um einen sicheren Kontakt zwischen den Kontaktflächen der Rundstifte 3.2 und der Düse 4 sowie der Elektrode 2 zu erhalten. Von Vorteil ist es, weiterhin, wenn die Oberfläche der Kontaktflächen 3.61 und 3.51 nicht eben, sondern der zylindrischen Außenfläche (Kontaktfläche 2.3) der Elektrode 2 und der zylindrischen Innenfläche (Kontaktfläche 4.3) der Düse so angepasst sind, dass ein Formschluss entsteht.
Die Anordnungen aus Verschleißteilen und dem Isolierteil bzw. dem Gasführungsteil sind nur beispielhaft aufgezählt. Es sind natürlich auch andere Kombinationen, wie zum Beispiel Düse und Gasführungsteil, möglich.
Wenn in der vorangehenden Beschreibung auf Kühlflüssigkeit oder ähnliches Bezug genommen wurde, so soll damit ganz allgemein ein Kühlmedium gemeint sein.
In der vorangehenden Beschreibung werden u. a. Anordnungen und komplette Plasmabrenner beschrieben. Es versteht sich für den Fachmann, dass die Erfindung auch in Unterkombinationen und Einzelteilen, wie zum Beispiel Bauteile oder Verschleißteile, bestehen kann. Daher wird dafür auch explizit Schutz beansprucht.
Zu guter Letzt noch ein paar Definitionen, die für die gesamte vorangegangene Beschreibung gelten sollen:
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.