DE2830579A1

DE2830579A1 - Plasmabrennersystem

Info

Publication number: DE2830579A1
Application number: DE19782830579
Authority: DE
Inventors: Raymond G Wilkins
Original assignee: Thermal Dynamics Corp
Current assignee: Victor Equipment Co
Priority date: 1977-09-26
Filing date: 1978-07-12
Publication date: 1979-03-29
Also published as: AU518382B2; GB2061035A; GB2061035B; ES472623A1; FR2404372A1; JPS5451940A; GB2005093B; IT7868732A0; ZA783698B; US4225769A; DE2830579C2; AU3809078A; MX145417A; JPS6313789B2; IT1108754B; FR2404372B1; GB2005093A; CA1115353A; BE869168A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Plasmabrennersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11.

Plasmabrenner, als auch als Elektrobogenbrenner bekannt, führen Funktionen wie Schneiden, Schweißen usw. an Werkstücken aus. Dabei wird ein Plasma, welches aus ionisierten Gasteilchen besteht, auf ein Werkstück gerichtet. Ein Beispiel für einen herkömmlichen Einzelgas-Plasmabrenner ist in der US-Patentschrift 3 813 510 beschrieben. Wie dieses Patent zeigt, wird das zu ionisierende Gas, beispielsweise Stickstoff, über Kanäle im Brennermechanismus derart geführt, daß es vor dem Ende der negativ geladenen Elektrode verwirbelt. Die Schweißspitze ist dem Ende der Elektrode benachbart; an ihr liegt eine Spannung, die so hoch ist, daß ein Funken zwischen der Elektrode und der Schweißspitze überspringen kann, wodurch das Gas erhitzt und dadurch ionisiert wird. Eine Pilot-Gleichspannung zwischen der Elektrode und der Schweißspitze hält den Pilotbogen aufrecht. Das ionisierte Gas in der Strecke erscheint als Flamme und verläuft außerhalb der Spitze, wo es (das Gas) bzw. die Flamme von der Bedienungsperson gesehen werden kann. Die Erstreckung des Pilotbogens und der Flamme, die für praktische Zwecke als zusammenfallend angesehen werden können, hängt von der Leistung in der Brennerstrecke - d.h., dem Bogenstrom - sowie von dem Druck des Gases ab, welches in die Brennerstrecke und aus dem Brenner hinaus gedrückt wird. Der Pilotbogen ergibt eine Lichtquelle, unter welcher die Bedienungsperson die richtige Position des Brenners erkennen kann, bevor der Schweiß- bzw. Sehneidvorgang begonnen wird. Wenn in der Praxis der Pilotbogen an ist, ist ein schleifenförmiger Bogen, der sich aus dem Brenner heraus erstreckt, zu erkennen. Wenn der Brennerkopf nach unten auf das Werkstück zu bewegt wird, springt der Pilotbogen von der Elektrode auf das Werkstück über, da die Impedanz des Stromweges durch das Werkstück geringer ist als die Impedanz des Stromweges durch die Schweißspitze.

Herkömmliche Einzelgas-Plasmabrenner enthalten Schaltungskreise für den Pilotbogen, welche einen Pilotbogenstrom von 20 - 40 Ampere bei 100 bis 200 Volt an der Strecke zwischen Elektrode und Schweißspitze liefern. Dies führt zu einer Erstreckung des Bogens

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um 0,6 bis 1,2 cm (1/4 - 1/2 Zoll) über die Schweißspitze hinaus. Als Folge muß der Brenner bis auf 0,6 bis 1,2 cm an das Werkstück herangebracht werden, bevor der Bogen auf das Werkstück überspringt. Dies führt zu Schwierigkeiten beim Beginn des Schneidbzw. SchweißVorgangs.

Bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen für Plasmabrenner wird außerdem der Pilotbogen durch ein hochfrequentes Signal eingeleitet, welches in der Stromversorgung erzeugt wird und über ein verhältnismäßig langes Kabel zum Plasmabrenner geführt wird. Dies führt zu einer Energiedissipation. Außerdem kann sich das RF-Rauschen, welches von der herkömmlichen Funkenstrecke erzeugt wird, in weitere elektrische Systeme zurück ausbreiten, die mit dem Brenner verbunden sind, beispielsweise zu einer numerischen Steuermaschine, welche die Bewegung des Brenners steuert. Hierdurch kann die Funktion dieser Maschinen gestört werden.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Plasmabrennersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 und 12 bis 15 angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Plasmabrennersystem wird ein Pilotbogen mit einer geringen Eihschaltdauer erzeugt. Die Schaltungsanordnung ist so eingerichtet, daß der Pilotbogen periodisch gezündet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Pilotbogen elektrisch praktisch augenblicklich nach der Zündung gelöscht. Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Pilotbogen mechanisch durch den Blaseffekt des Hochdruckgases zwischen der Elektrode und der Schweißspitze gelöscht. Die geringe Einschaltdauer des Pilotbogens macht es möglich, daß die Schaltungsanordnung im Bogen eine sehr große Leistung erzeugt, ohne daß die Nachteile aufträten, die normalerweise mit einem Hochleistungsbogen verbunden sind. Andererseits erzeugt die große Lei-

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stung jm. Pilotbogen eine größere Abmessung des Pilotbogens, wodurch die zulässige Trennung zwischen Brenner und Werkstück vergrößert wird, welche zur übertragung des Bogens benötigt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine halbwellen-gleichgerichtete Gleichspannung zwischen die Elektrode und die Schweißspitze über einen Gleichstromkreis für den Pilotbogen gelegt. Triggerimpulse werden an einen Triggerkreis gelegt und .zünden den Pilotbogen bei bestimmten Winkeln der halbwellengleichgerichteten Spannung.

Außerdem sind beim Startkreis für den Pilotbogen die Funkenstrecke, der Blockierkondensator und die Drossel eliminiert; keine Radiofrequenz pflanzt sich entlang des Kabels zwischen der Stromversorgung und der Brennereinrichtung fort. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Autotransformator, der die drei Funktionen erfüllt, die für den Startkreis des Pilotbogens erforderlich sind. Der Autotransformator erzeugt Hochspannungsimpulse, welche das Gas zwischen der Brennerelektrode und dem Schweißkopf ionisieren. Er dient als Drossel, welche verhindert, daß aufgrund des in der Brennerstrecke erzeugten Funkens verursachte Hochfrequenz zurück in die Gleichstromdrähte gelangt. Schließlich dient der Autotransformator als Gleichstromweg/ welcher den Pilot-Gleichstrom, der bis zu 100 Ampere gehen kann, zwischen der Schweißspitze und der Elektrode durchläßt.

Die Primärwicklung des Autotransformators ist in einem Kreis mit einem Ladekondensator und einem elektronisch gesteuerten Schalter, beispielsweise einem gesteuerten Siliziumgleichrichter, gelegt. Der Ladekondensator wird von der Stromversorgung geladen. Danach wird der elektronisch geregelte Schalter angeschaltet. Wenn dies passiert, erscheint sofort die gesamte Spannung am Kondensator an der Primärwicklung des Autotransformators. Aufgrund des großen Windungsverhältnisses zwischen der Sekundär- und der Primärwicklung des Autotransformators wird die Spannung an der Sekundärwicklung des Autotransformators sehr hoch. Hierdurch springt ein Funke über die Strecke zwischen der Brenner-

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elektrode und der Schweißspitze. Die Schaltungsanordnung einschließlich des Autotransformators wird am Brennerende des Kabels und nicht am Stromversorgungsende des Kabels angeordnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein herkömmliches Plasmabrennersystem mit der Schaltungsanordnung zum Starten des Pilotbogens;

Fig. 2 schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 Spannungsformen, die an bestimmten Stellen des in Fig. 3 gezeigten Schaltkreises auftreten.

In Fig. 1 ist ein herkömmliches Plasmabrennersystem dargestellt. Die Brenneranordnung ist insgesamt mit 10 bezeichnet; sie enthält eine Elektrode 36 sowie eine Schweißspitze 38, wobei zwischen diesen eine durch die Pfeile 40 dargestellte Gasströmung stattfindet. Tatsächlich ist der Brenner, wie der Fachmann weiß, sehr viel komplizierter als in der Zeichnung dargestellt. Die vereinfachte Zeichnung reicht jedoch zur Erläuterung der Probleme herkömmlicher Plasmabrenner aus, ebenso wie zur Erläuterung der mit der vorliegenden Erfindung erzielten Verbesserung. Ein Beispiel für einen bestimmten derartigen Brenner findet sich im oben genannten US-Patent 3 813 510. Fig. 1 zeigt außerdem ein Werkstück, das insgesamt mit 12 bezeichnet ist, eine Spannungs-Versorgung, die mit 14 bezeichnet ist, sowie ein Kabel 16, welches zwischen der Spannungsversorgung und dem Brenner verläuft. Das Kabel kann bei manchen Geräten ungefähr 15 m (50 Fuß) lang sein.' Wie im Falle des Brenners selbst ist von der Stromversorgung 14 nur so viel dargestellt, wie zum Verständnis bekannter Schaltungsanordnungen und der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Wie dargestellt, enthält die Stromversorgung 14 eine

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60 Herζ-Spannungsquelle 18, einen Leistungstransformator 20, ein Funkenstreckenelement 22, eine Gleichspannungsversorgung 34, einen Gleichspannung abblockenden Kondensator 24, eine Wechselspannungsdrossel 26, einen Schalter 2B und Impedanzen 30 und 32.

Im Betrieb legt die 60 Herz-Spannungsversorgung eine 60 Herz-Spannung an die Primärwicklung des Transformators 20. Letztere wird dann auf die Sekundärwicklung des Transformators übertragen, wobei die Leistung ausreicht, an der Funkenstrecke 22 einen Funken zu erzeugen. Der Transformator 20 ist ein typischer Neon-Zeichen-Transformator. Die Funkenstrecke 22 erzeugt im wesentlichen RF-Rauschen. In diesem Falle wird jedoch ein Teil dieses RF-Rauschens dazu verwendet, den Pilotbogen zu erzeugen. Das Radiofrequenzsignal, welches von der Funkenstrecke erzeugt wird, breitet sich entlang des Kabels 16 aus und wird zwischen die Elektrode 36 und die Schweißspitze 38 gelegt. Die Energie an der Funkenstrecke reicht aus, daß ein Funken die Funkenstrecke überspringt und durch das dazwischen fließende Gas ionisiert wird. Dies führt zu einem anfänglichen Pilotbogen, der mit 42a bezeichnet ist. Der Pilotbogen wird durch einen Gleichstrom aufrechterhalten, der typischerweise 20 bis 40 Ampere beträgt. Er wird von der Gleichspannungsversorgung 34 über dieselben Drähte geliefert, welche das RF-Signal führen. Der Blockierkondensator 24 verhindert, daß das Gleichspannungssignal von der Spannungsversorgung 34 zurück in das Wechselspannungssystem gelangt. Die Drossel 26 verhindert, daß die Radiofrequenz in den Gleich-■spannungs-Versorgungskreis eintritt. Während dieser Zeit ist der Schalter 28 geschlossen, wodurch sich eine geschlossene Gleichspannungs-Pilotschleife ergibt, welche den positiven Anschluß der Gleichspannungsversorgung 34, den Widerstand 32, den Widerstand 30, den normalerweise geschlossenen Schalter 28, die Drossel 26, die Elektrode 36, den Pilotbogen 42a, die Schweißspitze 38 und den negativen Anschluß der Gleichspannungsversorgung 34 enthält.

Aufgrund der Gasströmung, die mit 40 bezeichnet ist, macht der Pilotbogen eine Schleife, wie bei 42b angedeutet ist. Die Schleife erstreckt sich unter die Schweißspitze und kann von der

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Bedienungsperson auch dann gesehen werden, wenn sie eine Schweißmaske trägt. Wenn der Brenner näher an das Werkstück 12 herangebracht wird, springt der Bogen von 42b auf 42c über. Die Impedanz des Gleichstromweges, welcher das Werkstück 12 enthält, ist geringer als der Impedanzweg des Gleichstromkreises, der die Schweißspitze 38 enthält, da im letztgenannten Weg die Impedanz 30 liegt. Ein geringer Strom fließt weiter im Gleichstromkreis, der die Schweißspitze enthält, bis der Schalter 28 mittels eines Fuß- oder Hand-Steuerschalters oder eines automatischen, stromempfindlichen Relais geöffnet wird. Der Schalter 28 wird geöffnet, sobald über das Werkstück 12 Strom fließt.

Wie oben ausgeführt, erstreckt sich der Pilotbogen 42b ungefähr 0,6 bis 1,2 cm (1/4 bis 1/2 Zoll) über die Schweißspitze hinaus. Dies wiederum bedeutet, daß zur übertragung des Bogens auf das Werkstück der Brenner so nahe an das Werkstück heran gebracht werden muß, daß Schwierigkeiten auftreten.

Die Länge des Pilotbogens kann zwar dadurch erhöht werden, daß der Pilotbogenstrom vergrößert wird. Dies erzeugt aber normalerweise mehr Probleme als es löst. Vor allem erodiert die Schweißspitze rascher, wobei die Schweißspitzen-Lebensdauer erheblich abgekürzt wird. Zweitens müssen die Komponenten im Schaltungskreis des Pilotbogens, d.h., die Widerstände, Kondensatoren, Dioden und Drähte größer ausgelegt sein, was die Abmessungen und Kosten des Schaltungskreises für den Pilotbogen erhöhen würde.

Ein weiterer Nachteil des in Fig. 1 gezeigten Systems besteht darin, daß das RF-Signal sich entlang dem langen Kabel 16 ausbreitet. Dies erhöht das RF-Rauschen im System und kann den Betrieb anderer elektrischer Ausrüstungsgegenstände, die mit dem Brenner verbunden sind, stören. Beispielsweise wird das Brennersystem häufig zusammen mit einer numerischen Steuermaschine, d.h. einem Computer, verwendet und von dieser gesteuert, welche den Brenner nach einem programmierten Eingangssignal bewegt, was zu einem bestimmten Schnitt bzw. Schweißmuster auf dem Werkstück führt. Wenn RF-Rauschen rückwärts in den Computer gelangt, hätte

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dies einen üblen Einfluß auf das angestrebte Muster. Schließlich hat das Führen der Radiofrequenz über die verhältnismäßig lange Leitung einen erheblichen Verlust an Hochfrequenzleistung zur Folge.

Das oben beschriebene System wurde trotz den erwähnten Schwierigkeiten viele Jahre lang allgemein verwendet. Es ist zu beachten, daß das Hochfrequenzsignal, welches von der Funkenstrecke 22 erzeugt wird, nicht nur einfach deshalb vorgesehen wird, weil nur ein RF-Signal den Pilotbogen zünden kann. Im Gegenteil, auch eine 60 Herz-Spannung könnte den Leistungsbogen direkt zünden. Der Grund, warum letzteres nicht praktikabel ist, besteht darin, daß ein Pilotstrom zur Steuerung des Pilotbogens notwendig ist. Wenn anstelle der RF-Leistung zum Zünden des Pilotbogens ein 60 Herz-Strom verwendet würde, würde dies eine unpraktisch große Drosselspule erforderlich machen, um den 60 Herz-Strom von der Gleichstromversorgung für den Pilotbogen zu trennen.

In den Fign. 1, 2 und 3 sind in mehreren Fällen dieselben Bezugszeichen verwendet. Diese Bezugszeichen kennzeichnen Teile, die in allen drei Figuren identisch sind. Die Merkmale von Fig. 2, welche sich von der den Stand der Technik zeigenden Fig. 1 unterscheiden, sind grundsätzlich die Schaltungsanordnung 50 am Brennerende des Kabels 16 und einige wenige Veränderungen in der Strom Versorgung 14. Die Stromversorgung 14 enthält einen Impulsgenerator 66; die Gleichstromversorgung 34 enthält einen dritten Anschluß, der durch das Symbol ++ gekennzeichnet ist. Die Funktion dieses dritten Anschlusses wird später beschrieben. Der + -Anschluß der Gleichstromversorgung 34 ist über einen Kurzschlußwiderstand 32 mit dem Werkstück 12 wie bei der herkömmlichen Einrichtung verbunden. Der Gleichstromweg für den Pilotstrom, welcher die Elektrode 36 und die Schweißspitze 38 enthält, enthält außerdem, wie das bekannte Gerät, den Schalter 28 und die Impedanz 30. Die vier Leitungen zwischen der Stromversorgung, welche in das Kabel 16 eintreten, sind mit den eingekreisten Zahlen 1, 2, 3 und 4 gekennzeichnet. Dies soll die Korrespondenz mit den Leitungen, welche aus dem Kabel 16 am Brennerende austreten, andeuten. Der Impulsgenerator 66 erzeugt periodische Im-

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pulse, die beispielsweise eine Frequenz von 10 Impulsen pro Sekunde haben können. Für den Betrieb der Einrichtung ist die genaue Frequenz nicht kritisch.

Der Kreis 50 enthält einen Autotransformator 52, welcher eine Primärwicklung 56 und eine Sekundärwicklung 54 aufweist, einen Ladekondensator 58, eine Diode 60 und einen regelbaren Siliziumgleichrichter 62. Die Sekundärwicklung 54 des Autotransformators 52 ist direkt mit der Schweißspitze 38 verbunden. Die Leitung 4 aus dem Kabel 16, die mit dem negativen Anschluß der Gleichstromversorgung 34 verbunden ist, ist direkt mit der Elektrode 36 verbunden. Beim speziellen, hier beschriebenen Beispiel ist angenommen, daß die Gleichstromversorgung 34 200 Volt Gleichspannung zwischen den Anschlüssen liefert, die mit "-" und "+" gekennzeichnet sind. Weiter wird angenommen, daß die Gleichspannungsversorgung 34 500 Volt Gleichspannung zwischen dem Anschluß, der mit "+" und dem Anschluß, der mit "++" gekennzeichnet ist, liefert. Demzufolge liegen im Kreis 50 zwischen den Leitungen 2 und 3 500 Volt Gleichspannung. Aufgrund der Polarität der Diode 60 und dem nicht leitenden Zustand von SCR 62, lädt der Kondensator 58 auf 500 Volt Gleichspannung auf.

Wenn ein Impuls des Impulsgenerators 36 am Tor 64 des SCR 62 auftritt, wird letzterer eine leitende Diode. Die parallele Kombination aus SCR 62 und der Diode 60 wird im wesentlichen ein Kurzschlußkreis, da jedes Bauteil den Strom in einer Richtung leiten kann. Demzufolge müssen die gesamten 500 Volt am Kondensator 58 auch an der Primärwicklung 56 des Transformators 52 auftreten. Beim speziellen, hier beschriebenen Beispiel ist das Wicklungsverhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung 1:30. Demzufolge beträgt die Spannung an der Sekundärwicklung 15 000 Volt. Dies reicht aus, daß ein Funke zwischen der Elektrode 36 und der Schweißspitze 38 überspringt. Wenn der SCR 62 angeschaltet ist, wirkt der Kreis, welcher den SCR 62, die Diode 60, den Kondensator 58 und die Primärwicklung 56 enthält, als Ringkreis mit einer Frequenz, der vom Wert der Induktivität der Primärwicklung 56 und dem Wert des Kondensators 58 abhängt. Beim spe-

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ziellen Ausführungsbeispiel· sei angenommen, daß der Kondensator einen Wert von 0,25 Mikrofarad besitzt, und daß die Wicklung eine Wicklung mit Ferrit-Kern ist, welche 225 Windungen aufweist. Das Windungsverhältnis beträgt ungefähr 1:30. Der steuerbare Siliziumgleichrichter ist ein 40 RCS 60 von der Firma International Rectifier Company; in diesem Falle hat der Ringkreis eine Frequenz von 150 KHz. Der Ringkreis wird jedoch nahezu augenblicklich aufgrund der Energiedissipation an der Brennerstrecke zwischen der Elektrode 36 und der Schweißspitze 38 gedämpft.

Der Autotransformator liefert nicht nur die notwendige Spannungsheraufsetzung, um den Funken zu erzeugen, der für den Pilotbogen notwendig ist. Er bildet außerdem einen Weg für die Gleichstrom-Pilotversorgung. Der gesamte Gleichstrom-Pilotversorgungsweg enthält den "+"-Anschluß der Versorgung 34, die Widerstände 30, 32, den geschlossenen Schalter 28, die Leitung 3, den Transformator 52, die Schweißspitze 38, den Pilotbogen 42a, die Elektrode 36, die Leitung 4 und den "-"-Anschluß der Gleichstromversorgung 34. Die Drossel wirkt natürlich im wesentlichen als Impedanz mit dem Wert 0 für den Gleichstrom. Die meisten herkömmlichen Wicklungen, welche die Spannungserhöhung liefern können, die zur Zündung des Plasmas erforderlich ist, sind jedoch nicht in der Lage, den verhältnismäßig großen Gleichstrom-Pilotstrom zu führen. Sie sind nämlich zu diesem Zwecke nicht ausgelegt.

Der Autotransformator dient außerdem als Drossel' und verhindert, daß die Radiofrequenz, die von der Brennerstrecke erzeugt wird, zurück in die Gleichspannungsversorgung gelangt.

In der Praxis führt der beschriebene Kreis zu einem Pilotbogen, wie er bei 42a gezeigt ist. Dieser wird dann zu einer Schleife ausgeblasen, wie dies bei 42b dargestellt ist. Bei einem Brenner, der als Schneidbrenner eingesetzt werden soll (im Gegensatz zu einem Schweißbrenner), ist der Druck des strömenden Gases ausreichend groß, daß nach einer kurzen Zeit, beispielsweise einer Millisekunde oder so, der Pilotbogen vollständig ausgeblasen ist. Zwischen der Zeit, zu welcher der Pilotbogen zunächst gestartet

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wird und der Zeit, zu welcher der Pilotbogenkreis getrennt wird, nachdem der Bogen auf das Werkstück übertragen ist, ist der Pilotbogen intermittierend. Anders ausgedrückt, ist die Einschaltdauer des Pilotbogens weniger als 100%, wie dies bei dem Schaltkreis von Fig. 1 der Fall ist. In der Tat ist die Einschaltdauer wesentlich geringer als 100%. Als Folge kann die momentane Leistung über diejenige erhöht werden, die bei bekannten Einrichtungen verwendet wird. Gleichzeitig kann die durchschnittliche Leistung unter diejenige abgesenkt werden, die bei bekannten Einrichtungen verwendet wird. Die Schaltkreisvorteile können beispielsweise so gewählt werden, daß ein Pilotbogenstrom von 100 Ampere fließt. Dies führt zu einem sehr viel längeren Bogen und verringert die oben erwähnten Probleme. Bei dieser Ausführungsform hängt die geringe Einschaltdauer davon ab, daß das Gas den Bogen zwischen den gepulsten Zündungen ausbläst. Dies kann in einigen Fällen zur Re-,duktion der Einschaltdauer kein gangbarer Weg sein. Dies gilt besonders dann, wenn der Plasmabrenner zum Schweißen verwendet wird. Hier ist der Gasdruck möglicherweise zu gering, um den Pilotbogen auszublasen. Eine bevorzugte Schaltungsanordnung, welche sowohl periodisch den Pilotbogen zündet als auch elektrisch löscht, ist in Fig. 3 dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Der Schaltkreis 50 von Fig. 2 wird zwar vorzugsweise an dem Brennerende des Kabels 16 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, den Schaltkreis 50 am Stromversorgungsende des Kabels 16 anzubringen. Tut man dies, so könnten sich jedoch Schwierigkeiten ergeben, die zur Zündung des Brenners erforderliche Leistung bereitzustellen, da ein beträchtlicher Anteil der Leistung, die durch die Entladung des Kondensators 58 über die Brennerwicklung des Autotransformators erzeugt wird, von der Last dissipiert wird, welche von der langen Leitung 16 dargestellt wird.

Die Stromversorgung 14 von Fig. 2 sieht, wie sie dargestellt ist, getrennte Gleichspannungs- und Impulsgeneratoren vor. Es versteht sich, daß sowohl die Gleichspannung als auch die Impulse mittels einer herkömmlichen Schaltungsanordnung aus einer Grundwechselstromversorgung erhalten werden können. Außerdem kann der Schaltkreis 50 von gleichgerichteten Wechselstromimpulsen be-

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trieben werden, anstelle von einer herkömmlichen Gleichstromversorgung. Diese Alternative ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Schaltungsanordnung von Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen von Fig. 2 darin, daß der Pilotbogen elektrisch gelöscht wird. Dies geschieht dadurch, daß die Gleichstrom-Pilotspannung, die an der Brennerstrecke liegt, durch eine halbwellen-gleichgerichtete Wechselspannung ersetzt wird. Außerdem wird der Triggerimpuls auf einen bestimmten Winkel der halbwellen-gleichgerichteten Spannung synchronisiert.

In Fig. 4 stellen die Wellen a, b, c und d Spannungen dar, die im Schaltkreis von Fig. 3 auftreten, und zwar an den Punkten, die mit a bis d bezeichnet sind.

Die Abschnitte 10, 50 und 16 sind in den Fign. 3 und 2 gleich. Außerdem liefert die Gleichspannungsversorgung 34 zwischen der Elektrode und dem Werkstück eine Gleichspannung. Eine Wechselspannungsquelle 70 ist über einen Schalter 28 mit der Primärwicklung eines Transformators 71 verbunden. Die Wechselstromquelle liefert eine Spannung, die als Wellenform a in Fig. 4 mit 50 bzw. 60 Hz (typischerweise) dargestellt ist. Der Transformator enthält zwei Sekundärwicklungen 73 und 74. Eine Diode 76 erzeugt eine Halbwellengleichrichtung der Spannung an der Sekundärwicklung 74, was zu der Spannungsform c in Fig. 4 führt. Letztere Spannung wird über die Leitungen 3 und 4 im Kabel 16 an die Brennerstrecke gelegt. Eine Diode 75 erzeugt eine Halbwellengleichrichtung der Spannung an der Sekundärwicklung 73, was zur Spannungsform b von Fig. 4 führt. Letztere Spannung wird über die Leitungen 2 und 3 im Kabel 16 an den Pilotbogen-Zündkreis 50 gelegt. Die letztgenannte Spannung lädt den Kondensator 58 auf den Spitzenwert der Spannung auf.

Die Spannung an der Sekundärwicklung 74 wird außerdem an einen herkömmlichen Synchronimpuls-Generator erzeugt, der die Impulse d von Fig. 4 erzeugt. Diese werden über die Leitungen 1 und 3 des Kabels 16 zwischen Tor und Kathode des SCR 62 gelegt. Wie

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somit den Wellenformen von Fig. 4 zu entnehmen ist, wird der Kondensator 58 voll mit einer Spannung aufgeladen, welche ausreicht, den Pilotbogen ebenso zu zünden, wie oben anhand der Fig. 2 beschrieben, wenn der Triggerimpuls d an den SCR 62 gelegt wird. Zu dieser Zeit befindet sich auch die Spannung c an der Strecke auf ihrem Maximum. Um einen Viertelzyklus später verringert sich die Spannung £ auf O. Kurz zuvor fällt die Span nung £ unter denjenigen Wert ab, bei dem der Pilotbogen aufrechterhalten wird; letzterer geht aus.

Die Einschaltdauer bei den in Fig. 4 gezeigten speziellen Wellenformen liegt unter 25%. Die Einschaltdauer kann weiter reduziert werden, indem die Impulse d, bezogen auf die Spitze der Wellenform £, verzögert werden, oder indem die Frequenz der Impulse d reduziert wird, oder durch beide genannte Maßnahmen.

Meissner & Bolte Patentanwälte

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Claims

Patentansprüche

1.j Plasmabrennersystem mit einer Spannungsversorgung; mit einem —^ Brenner, der eine Elektrode, eine Schweißspitze und eine Einrichtung aufweist, welche zwischen Brenner und Schweißspitze für ein ionisierbares Gas sorgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zündkreis (50) für den Pilotbogen vorgesehen ist, der eine erste Einrichtung umfaßt, welche periodisch eine hinreichend große Spannung zwischen die Elektrode (36) und die Spitze (38) legt, wodurch der Pilotbogen (42) gezündet wird, sowie eine zweite Einrichtung, welche den Pilotbogen (42) zwischen den einzelnen Zündungen löscht, wobei die augenblickliche Leistung des Pilotbogens (42) sehr viel größer als die durchschnittliche Leistung des Pilotbogens (42) ist.

2. Plasmabrennersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine Einrichtung (76) enthält, welche eine Halbwellen-gleichgerichtete Wechselspannung zwischen die Elektrode (36) und die Schweißspitze (38) legt.

3. Plasmabrennereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung zur Zündung eines Pilotbogens (42)

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zwischen der Elektrode und der Schweißspitze (38) einen Autotransformator (52) umfaßt, der eine Primärwicklung (56) und eine Sekundärwicklung (54) besitzt, einen Ladekondensator (58) und einen elektronisch gesteuerten Schalter (62), wobei dieser Schalter (62),der Kondensator (58) und die Primärwicklung (56) des Autotransformators (52) derart miteinander und mit der Stromversorgung (14) verschaltet sind, daß der Kondensator (58) von der Stromversorgung (14) aufgeladen wird und der Schalter (62) durch Impulse von der Stromversorgung (14) leitend gemacht wird.

4. Plasmabrennersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreis für die Pilotbogenspannung vorgesehen ist, welche den Autotransformator (52) , die Schweißspitze (38) , die Elektrode (36) und den Pilotbogen umfaßt, der zwischen der Schweißspitze (38) und der Elektrode (36) entsteht.

5. Plasmabrennersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine halbwellen- gleichgerichtete Wechselspannung zwischen die Elektrode (36) und die Schweißspitze (38) legt.

6. Plasmabrennersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung eine Einrichtung (66) enthält, welche die Impulse erzeugt, eine Einrichtung, welche die halbwellengleichgerichtete Wechselspannung erzeugt, sowie eine Einrichtung, welche die Impulse und die halbwellen-gleichgerichtete Wechselspannung so synchronisiert, daß jeder Impuls zu einer Zeit auftritt, zu welcher die halbwellen-gleichgerichtete Wechselspannung groß genug ist, um den Pilotbogen aufrecht zu erhalten.

7. Plasmabrennersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch gesteuerte Schalter ein steuerbarer Siliziumgleichrichter (62) ist, wobei die letztgenannte Ein-•richtung in einer Schleife mit dem Kondensator (58) und der Primärwicklung (56) des Autotransformators (52) geschaltet ist. 909813/0684

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8. Plasmabrennersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche den Pilotbogen zündet, außerdem eine Diode (60) enthält, die parallel zum gesteuerten Siliziumgleichrichter (62) liegt.

9. Plasmabrennersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Autotransformator (52) einen Draht umfaßt, der einen durchschnittlichen Gleichstrom über* 20 Ampere führen kann und um einen Ferritkern gewickelt ist, wobei das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung mindestens 1:20 beträgt.

10. Plasraabrennersystern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein Kabel (16) vorgesehen ist, welches die Stromversorgung (14) mit der Brenneranordnung (50) verbindet, wobei die Stromversorgung (14) eine Einrichtung (34) enthält, welche die Versorgungsspannung für den Pilotbogen erzeugt, eine Einrichtung, welche eine den Kondensator (58) ladende Spannung erzeugt, sowie eine Einrichtung (66), welche periodische Impulse erzeugt, wobei das Kabel mehrere Verbinder umfaßt, welche die Versorgungsspannung für den Pilotbogen mit dem Versorgungskreis für den Pilotbogen verbinden, die Kondensator-Ladespannung mit der Schleife verbinden und die periodischen Impulse an den elektronisch gesteuerten Schalter (62) legen.

11. Plasmabrennersystem mit einer Stromversorgung, einer Brenneranordnung, welche eine Elektrode, eine Schweißspitze und eine Einrichtung enthält, welche zwischen Elektrode und Schweißspitze für ein ionisierbares Gas sorgt, mit einem Kabel, welches die Stromversorgung mit der Brennereinrichtung verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreis (50) vorgesehen ist, der einen Pilotbogen (42) zwischen der Elektrode (36) und der Schweißspitze (38) erzeugt, ohne daß eine Funkenstrecke in der Stromversorgung (14) vorliegt, wobei die Schaltungsanordnung einen Autotransformator (52) enthält, der eine Primärwicklung (56) und eine Sekundärwicklung (54) aufweist, einen

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Ladekondensator (58) und einen elektronisch gesteuerten Schalter (62), wobei der Schalter (62) , der Kondensator (58) und die Primärwicklung (56) des Autotransformators (52) derart untereinander und mit der Stromversorgung (14) verschaltet sind, daß der Kondensator (58) von der Stromversorgung (14) aufgeladen wird und der Schalter (62) durch Impulse von der Stromversorgung (14) leitend gemacht wird, wobei außerdem ein Gleichstromversorgungskreis für den Pilotbogen vorgesehen ist, welcher den Autotransformator (52) , die Schweißspitze (38), die Elektrode (36) und den Pilotbogen (42) umfaßt, der sich zwischen der Schweißspitze (38) und der Elektrode (36) einstellt.

12. Plasmabrennersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch gesteuerte Schalter ein regelbarer SiLiziumgleichrichter (62) ist, wobei letztere Einrichtung in einer Schleife mit dem Kondensator (58) und der Primärwicklung des Autotransformators (52) liegt.

13. Plasmabrennersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche den Pilotbogen (42) zündet, außerdem eine Diode (60) enthält, welche parallel zum gesteuerten Siliziumgleichrichter (62) liegt.

14. Plasmabrennersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (14) eine Einrichtung enthält, welche eine Gleichstromversorgung für den Pilotbogen erzeugt, eine Einrichtung, welche eine Ladespannung für den Kondensator (58) erzeugt, sowie eine Einrichtung (66) , welche periodische Impulse erzeugt, wobei ein Kabel mehrere Verbinder umfaßt, welche die Gleichstromversorgungsspannung für den Pilotbogen mit dem Gleichstromversorgungskreis verbindet, die Kondensator-Ladespannung mit der Schleife verbindet und die periodischen Impulse mit dem Tor des steuerbaren Siliziumgleichrichters (62) verbindet, wobei sich die Schleife und die Gleichstromversorgungskreise in der Nähe des Endes des Kabels (16) befinden, welches der Stromversorgung (14) gegenüber liegt.

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15. Plasmabrennersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Autotransformator (52) einen Draht umfaßt, der einen dauernden Gleichstrom von 5 Ampere oder mehr führen kann und um einen Ferritkern gewickelt ist, wobei das Windungsverhältnis von Primär- und Sekundärwicklung mindestens He20 beträgt.

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