专利名称：蒸汽等离子燃烧器的操作方法和蒸汽切割设备的制作方法
蒸汽等离子燃烧器的操作方法和蒸汽切割设备
本发明涉及操作蒸汽等离子燃烧器的方法，该燃烧器包括阴极和喷嘴形 式、用于加工工件的阳极，在操作中，电流借助电源施加在阴极和阳极和/ 或工件之间，从而在阴极和阳极之间引燃引导电弧之后，通过将蒸汽等离子 燃烧器靠近工件，在阴极和工件之间形成工作电弧，并且通过从阳极切断电 源而使引导电弧熄灭，而且电流升高到预定操作电流。
本发明进一步涉及蒸汽切割设备，该设备包括蒸汽等离子燃烧器，所 述燃烧器包括阴极和喷嘴形式的阳极；电源， 一方面，该电源与阴极连接， 另一方面，该电源与待加工工件和阳极连接；以及控制设备，用于控制布置 在电源和阳极之间的连接部中的开关。
在本发明的蒸汽等离子燃烧器中，借助电源在负极性阴极和正极性阳极 之间引燃电弧，所述正极性阳极配置成位于燃烧器末梢的喷嘴。水或流体从 储存器经由适当导管供应到燃烧器，并在此借助加热装置加热成蒸汽，并经 过适当的通道引导到燃烧室，在此产生等离子体，即等离子形成介质。等离 子喷流从喷嘴以无电流方式引出，因其能量密度较高，所以用于熔化工件。 除了切割工件之外，蒸汽等离子燃烧器还可以用于连接工件。
使用水或流体代替气体作为可以转化为等离子体的介质，提供的优势在 于不需要气瓶。很多地方都能获得水，或者比较容易提供水。但是，为了形 成可以转化为等离子体的气体，必须将水或流体蒸发。
在开启蒸汽切割设备之后，蒸发液体介质的蒸汽等离子燃烧器的加热元 件被接通，以便达到操作温度。在达到操作温度之后，蒸汽等离子燃烧器处 于"待命"或空载模式。为了将蒸汽等离子燃烧器引入操作状态，在阴极和 阳极之间引燃所谓引导电弧。由加热元件蒸发的液体介质形成等离子气体， 驱动电弧从设计为喷嘴的阳极的出口向外喷出。在这种状态下，燃烧器处于 所谓"非传送模式"。随着燃烧器靠近连接到电源的工件， 一部分电流开始 流过工件到达阴极，在超过限定的电流之后，在工件和阴极之间形成工作电 弧。 一旦在阴极和工件之间形成工作电弧，通过断开电源，将引导电弧关闭， 并且电流升高到希望的切割电流，从而开始加工工件。这种模式称为"传送模式"。
在蒸汽等离子燃烧器从工件移开时，会导致工作电弧断开，且中断加工 工件。为了继续加工，必须再次引燃引导电弧，并将燃烧器引入非传送模式， 最终引入传送模式。电弧熄灭一直是个问题，尤其对于蒸汽等离子燃烧器来 说更是这样，因为持续供应等离子形成介质可能导致燃烧器冷却而且操作中 断。因此，特别对于蒸汽等离子燃烧器来说，控制非传送才莫式和传送模式之 间的切换至关重要。
在现有技术中，已知存在各种以测量的电流和电压的函数来控制非传送
模式向传送模式切换的方法。例如，US6，133，543A描述了一种控制等离子电 弧的设备和方法，在传送模式中检测电弧电流并用于控制电源的接通。这里 所用的燃烧器是以气体操作的常规燃烧器。
WO2004/022276A1也公开了 一种等离子燃烧器，在其中监测各种操作 电流和电压，以便优化从引导电弧向操作电弧的切换。
本发明的目的是提供一种用来操作蒸汽等离子燃烧器的上述方法，该方 法能实现各个操作状态的优化切换。根据本发明的方法确保基本上无中断地 加工工件，因此优化加工结果。
本发明的另一项目的在于提供上述蒸汽切割设备，其可以实现对蒸汽等 离子燃烧器的优化操作。
本发明的第一目的通过上述方法实现，在加工操作过程中，监测阴极和 工件之间的电压， 一旦所述电压超过阈值，则将电源重新连接到阳极以重新 形成引导电弧。本发明方法的核心在于，当蒸汽等离子燃烧器已经远离工件 并且工作电弧即将熄灭时，快速从传送模式切换到非传送模式。通过测量阴 极和工件之间的电压来判断蒸汽等离子燃烧器器从工件移走。因超过预设阈 值时，蒸汽等离子燃烧器阳极重新连接到电源，并重新引燃阴极和阳极之间 的引导电弧，所以所述燃烧器即使在工作电弧熄灭之后，依然保持在非传送 模式。因此防止了燃烧器^L供给的等离子形成介质冷却，确保了在燃烧器再 次到达距离工件的希望距离时，操作立即继续进行。在这种情况下，在阴极 和工件之间的电压超过阈值之后，必须尽快让电源与阳极接通，以便确保引 导电弧在工作电弧熄灭之前被引燃。
所述阈值有利地是可调节的，从而适应不同的操作参数和燃烧器类型。
以一种有利的方式，将不同的阈值存储在存储器中，并且作为所用的蒸汽等离子燃烧器的功能，可以读取和/或调节阚值。
为了能在加工操作中重新调节燃烧器，有利地，在加工操作中操作电流 是可调节的。调节操作电流的强度使其适合待加工的工件。
根据本发明进一 步的特征，考虑在工件与阴极之间的电流超过阈值时， 从阳极切断电源。通过监测阴极和工件之间的电流，阴极和工件之间的部分 电流，即随着燃烧器靠近工件而开始流动的电流受到监测。 一旦测量电流超 过限定的阈值，则通过从阳极切断电源而使引导电弧熄灭，以便只有工作电 弧继续燃烧。这样表示从非传送模式切换到传送模式。
这样做的时候， 一旦电流超过所述阈值，则在预定时间段之后从阳极切 断电源是有优势的。调节所述时间段确保引导电弧在再次熄灭之前，持续燃 烧特定的时间。从而抑制了过高的切换频率以及振动的产生，过高的切换频 率将给开关造成负担。可以在识别出超过阈值时，启动时间功能元件来实现 所述时间段。
再次熄灭前引导电弧必须持续燃烧的最小时间段有利地介于1和1.4ms 之间。
工件和阴极之间的电流阈值有利地也是可调节的。 通过在阴极和阳极之间施加高频电压，可以引燃所述引导电弧。 还可以通过从阳极抬起可轴向位移的阴极来引燃所述引导电弧。利用这 种结构，在蒸汽等离子燃烧器关断状态下，将阴极定位于阳极上。因此，在 这种状态下，阴极和阳极之间经常存在短路。仅在操作状态下，借助所供给 的蒸汽等离子燃烧器液体介质优选自动将阴极从阳极抬起，从而允许在阴极 和阳极之间引燃引导电弧。
为了监测阳极和阴极之间的短路，可以测量阴极和阳极之间的电压，并 将之与阴极和工件之间的电压比较，在加工操作中，如果两者相符，则可以 减小操作电流，这与本发明进一步的特征相对应。从而确保了在阴极碰到阳 极时，操作电流减小，这样保护了阴极和阳极两者。
进一 步可行的是测量阴极和阳极之间的电压，并防止在检测到短路时， 从阳极切断电源。借助这种测量，阳极和阴极短路时，将阻止在燃烧器和工 件之间引燃电弧。仅在喷嘴和阴极之间引燃引导电弧之后，才能实现引导电 弧的切断，并因此变成传送模式，其中在断开阳极和阴极之间的短路之前， 所述引燃引导电弧的操作是不可行的。如果根据预定功能例如以步进或渐变的方式实现电源与阳极的连通和/ 或关断，则可以保护部件，因为切换不会突然发生。
以一种有利的方式，可以调节蒸汽等离子燃烧器的水或流体的流速。因 此，例如还可以通过增大流速来改善对燃烧器的冷却。
本发明的目的还通过上述蒸汽切割设备来实现，该设备包括测量阴极和 工件之间电压的设备，该测量设备与控制设备连接。通过检测阴极和工件之 间的电压，可以将所述电压与所述控制设备中的预定阈值比较，从而接下来 以适当方式控制布置在电源和阳极之间的连接部中的开关。
具有优势的是，还设置用于测量阴极和工件之间电流的设备，该测量设 备与控制设备连接。这样允许当阴极和工件之间的电流超过限定阈值时，可 以有选择地从非传送模式切换到传送模式。
用于测量工件和阴极之间电流的设备具有优势，该测量设备与控制设备 连接。所述电流测量设备用来检测操作过程中的操作电流。
为了检测燃烧器和工件之间的短路情况，还可以设置用来测量阴极和工 件之间电压的设备，该测量设备与所述控制设备连接。
如果所述控制设备包括模拟电路，则可以实现所需或所希望的较短切换 时间，特别是在传送模式向非传送模式切换时。在由微控制器形成的控制设 备中，利用软件方案通常不能实现这样的效果。所述开关优选包括晶体管，特别是IGBT (绝缘栅双极晶体管)。 以一种有利的方式，设置用于存储预定阈值的存储器，其与所述控制设 备连接。
将借助附图更为详细地解释本发明。其中
图l是蒸汽切割设备的示意图2是处于空载状态的蒸汽等离子燃烧器的示意图3是处于非传送模式的蒸汽等离子燃烧器的示意图4是处于传送模式的蒸汽等离子燃烧器的示意图。
图1示出了用于蒸汽切割过程的蒸汽切割设备l，包括基体设备la。基 体设备la包括电流源2、控制设备3和与控制设备3关联的闭锁元件4。闭 锁元件4经由供应线路7连接容器5和包括燃烧器手柄6a和燃烧器主体6b 的燃烧器6，是的可以将容器5中的流体8供应给蒸汽等离子燃烧器6。经 由线路9、 IO从电流源2为蒸汽等离子燃烧器6提供电能。为了冷却蒸汽等离子燃烧器6，将蒸汽等离子燃烧器6通过冷却回路11 并任选经由插置的流动监测器12连接到流体容器13。在燃烧器6或基体设 备la投入操作时，将由控制设备3启动冷却回路11，以经由冷却回路ll冷 却燃烧器6。为了形成冷却回路ll，燃烧器6经由冷却线路14、 15连接到 流体容器13。
而且，基体设备la可以包括输入和/或显示设备16，从而能够调节并显 示蒸汽切割设备1的不同参数或操作状态。经由输入和/或显示设备16调节 的参数传递到控制设备3，以相应控制蒸汽切割设备1的各个部件。
此外，蒸汽等离子燃烧器6可以包括至少一个操作元件17,具体来说是 按钮开关18,通过开启和/或关闭按钮开关18,可以使操作者从燃烧器6通 知控制设备3将要启动并执行蒸汽切割过程。此外，输入和/或显示设备16 可以例如用于实现预调节，特别是预先限定待切割材料、所采用的流体以及 例如电流和电压特性。自不必说，可以在燃烧器6上布置另外的操作元件， 从而从燃烧器6调节蒸汽切割设备1的一个或多个操作参数。为此，这种操 作元件可以经由线路直接连接或经由总线系统连接到基体设备la,特别是连 接到控制设备3。
在开启按钮开关18之后，控制设备3激活蒸汽切割过程所必须的各个 部件。因此，泵(未示出)、闭锁元件4以及电流源2，例如首先被激活，以 启动流体8和电能向燃烧器6的供给。此后，控制设备3激活冷却回路11， 以冷却燃烧器6。通过向燃烧器提供流体8和能量，特别是电流和电压，流 体8将在燃烧器6内转化为高温气体19，特别是等离子体，从而能在工件 20上借助流出燃烧器6的气体19执行切割过程。
图2至图4示出了本发明的蒸汽等离子燃烧器6处于不同操作状态的示 意图。蒸汽等离子燃烧器6包括壳体21,壳体21中布置有阴极22，该阴极 连接到电源2。喷嘴23形式的阳极24连接到电源2的正极。
在如图2所示的空载状态或待命模式下，可轴向位移的阴极22压靠喷 嘴23。在该模式下，在阴极22和阳极24之间无法引燃电弧，因为发生了短 路。可以提前启动容纳在蒸汽等离子燃烧器6内用于蒸发水的加热装置，用 于预热工作介质。
为了在阴极22和阳极24之间引燃引导电弧，如图3所示，激活流体介 质的供给，特别是水的供给，从而使可轴向位移的阴极22从喷嘴23抬起，并且利用存在的适当功率，在阴极22和阳极24之间引燃引导电弧。除了这 种接触引燃，还可以通过接通高频电压来引燃引导电弧。将加热装置中蒸发 的水供应到燃烧室，在此用作形成等离子喷流的介质。等离子喷流经由设置 在阳极24中的开口 25压出，所述阳极设计为喷嘴23,而且因为能量密度较 高，所述等离子喷流可以用来切割工件20,也可以用来连接工件20。蒸汽 等离子燃烧器6处于所谓非传送模式下。
为了优化从图2所示的待命模式向如图3所示的非传送模式的切换，测 量各种操作参数并将它们馈送给用于控制开关30的控制设备25，所述开关 30布置在电源2和蒸汽等离子燃烧器6的阳极24之间。具体来说，借助电 压测量单元26检测阴极22和阳极24之间的电压UNUE,并借助电流测量单 元28 4企测电源2正极到工件20的电流IUE。也可以考虑借助电压测量单元 27额外;险测阴极22和工件20之间的电压UUE，以及借助电流测量单元29 额外4企测从电源2负极到蒸汽等离子燃烧器阴极22的电流ICUT。将检测到 的数据馈送给控制设备25，控制设备25控制用来连接电源2正极与阳极24 的开关。借助蒸汽等离子燃烧器的阴极22和阳极24之间的电压unue，可以 识别出阴极22和阳极或喷嘴24之间的短路何时断开，所述电压Unue是借 助电压测量单元26检测的。仅在此时才引燃阴极22和阳极24之间的引导 电弧。
随着蒸汽等离子燃烧器6靠近与电源2正极连接的工件20， 一小部分电 流IUE开始流过传送电流路径。如果到达工件20的电流IuE超过限定的阈值 IUEs,则控制设备25促动开关30,由此切断电源2和阳极24之间的连接， 其中所述电流IuE是借助电流测量单元28测量的。从而迫^f吏电弧从阴极22 向工件20闪过，同时由电源2提供的电流升高到限定的切割电流IojT。在 这种情况下，蒸汽等离子燃烧器6处于所谓传送模式下。随着蒸汽等离子燃 烧器6进一步从工件20移开，阴极22和工件之间的电压增大，因为电源2 的目的是维持经调节的切割电流ICUT。如果由电压测量单元27检测到的电 压UuE超过限定的阈值UuEs，则开关30再次闭合，因此将阳极24与电源2 正极重新连接，以防止电弧断开。在这种状态下，蒸汽等离子燃烧器6已经 返回到图3所示的非传送模式下。因此，根据要求在两种操作状态之间进行 切换，即在传送状态和非传送模式之间切换。这样做的时候，迅速实现对开 关30的控制非常重要。为此，模拟结构的控制设备25就比微控制器实现的效果好。在切割具体工件诸如例如穿孔板的时候，电弧的自动控制非常重要。 在这种情况下，由于工件和燃烧器之间的距离不断变化，电弧将会熄灭，这 就需要重新引燃引导电弧。此外，对于某些材料的切割质量来说，电流脉冲 可能具有优势。根据本发明的方法，减小了能量输入。
另一种选择是控制设备3作用于切换过程。在这种情况下，例如在第一 次引燃引导电弧时，即在激活该过程时，产生切换信号，或者必须取消切换 信号，从而仅在超过切换信号阈值时，控制设备3才释放开关30,这意味着 从非传送模式向传送模式的切换仅在切换信号例如已经超过50V时才是可 行的。这是为了保证阴极和阳极之间短路确实被断开，即，使阴极从阳极抬 起，并且阴极22和阳极24之间的引导电弧确实在燃烧器6内部燃烧。
由于控制设备3释放，所以模拟结构的控制设备25然后能打开开关30， 让电弧接入工件20。这将保证喷嘴23和工件20之间不会燃起电弧，除非阴 极20已经从阳极24抬起。如果，例如阴极22实际上没有从阳极24抬起， 在操作中将不可能在传送模式和非传送模式之间进行切换。而且，因此保证 了借助引导电弧可靠实现对燃烧器6的加热，以使只有水蒸汽从燃烧器6中 排出。通过控制设备3的干涉(功能)防止所述情况发生，因为所述信号无 法被取消，或者在喷嘴23和阳极24之间进行引燃之前，无法产生适当的信 号来操作所述开关。
控制设备3的另一种干涉(功能)可以包括当由传送模式变化回到非 传送模式时，通过控制设备3来监控处于传送模式的引导电弧，其中在传送 模式下电弧在工件20和阴极22之间燃烧，这意味着引导电弧必须在喷嘴23 和阴极24之间燃烧限定的时间段，优选燃烧1.2ms，由此，在电弧再次接入 到工件20上之前，分别查询是否有电流流动以及是否保持有引导电弧。从 而保证了不会发生振动，即反复切换，因为所采用的开关30不支持高的切 换频率。
当然，还可以以数字或模拟形式实现电路配置，从而利用数字配置，控 制装置25可以集成到控制设备3中，或者甚至由控制设备3来实现。
权利要求
1. 一种操作蒸汽等离子燃烧器(6)的方法，所述燃烧器包括阴极(22)和喷嘴(23)形式、用来加工工件(20)的阳极(24)，其中，在操作过程中，借助电源(2)在所述阴极(22)和所述阳极(24)和/或所述工件(20)之间施加电流，从而在所述阴极(22)和所述阳极(24)之间引燃引导电弧之后，通过使所述蒸汽等离子燃烧器(6)靠近所述工件(20)，在所述阴极(22)和所述工件(20)之间形成工作电弧，并且通过从所述阳极(24)切断所述电源(2)而使所述引导电弧熄灭，而且电流增大到预定操作电流，其特征在于，在所述加工操作过程中监测所述阴极(22)和所述工件(20)之间的电压(UUE)，并且在所述电压(UUE)超过阈值(UUEs)时，将所述电源(2)重新连接到所述阳极(24)，以重新形成所述引导电弧。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值(UUEs)是可调 节的。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为所使用的蒸汽等 离子燃烧器(6)的功能，存储不同的阈值(UUEs)，且所述阈值是可调节的。
4. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，在所述加工操 作过程中，所述才喿作电流(Icut)是可调节的。
5. 如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，在所述工件(20) 和所述阴极(22)之间的电流(IUE)超过阈值(IUEs)时，从所述阳极(24) 切断所述电源(2)。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于， 一旦所述电流(Iue)超过 所述阈值(IUEs),则在预定时间段(At)之后从所述阳极(24)切断所述电 源(2)。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述时间段是1至1.4ms。
8. 如权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于，所述电流阈值(IUEs)是可调节的。
9. 如权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述阴 极(22)和所述阳极(24)之间施加高频电压来引燃所述引导电弧。
10. 如权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，通过从所述阳 极(24)抬起可轴向位移的阴极(22)而引燃所述引导电弧。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，在加工操作过程中，测 量所述阴极(22)和所述阳极(24)之间的电压(UNUE),并将该电压与所 述阴极(22)和所述工件(20)之间的电压(UNUE)相比较，如果两者相符， 则减小所述操作电流。
12. 如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，测量所述阴极(22) 和所述阳极(24)之间的电压(UNUE),并且在检测到短路时，从所述阳极(24)切断所述电源(2)。
13. 如权利要求1至12任一项所述的方法，其特征在于，根据预定功 能并例如以步进或渐变方式实现所述电源(2)和所述阳极(24)之间的接 通和/或切断。
14. 如权利要求1至13任一项所述的方法，其特征在于，调节所述蒸 汽等离子燃烧器(6)的水流速。
15. —种蒸汽切割设备(l),包括蒸汽等离子燃烧器(6)，该燃烧器 包括阴极(22)和喷嘴(23)形式的阳极(24);电源(2), —方面，所述 电源与^阴极(22)连接，另一方面，所述电源与待加工工件(20)以及 阳极(24)连接；以及控制设备(25),用于控制布置在所述电源(2)和所 述阳极(24)之间的连接部中的开关(30)，其特征在于，设置用来测量所 述阴极(22)和所述工件(20)之间电压(UuE)的设备(27)，所述测量设 备(27 )与所述控制设备(25 )连接。
16. 如权利要求15所述的蒸汽切割设备(1 ),其特征在于，设置用来 测量所述阴极(22)和所述工件(20)之间电流(IUE)的设备(28),所述 测量设备(28)与所述控制设备(25)连接。
17. 如权利要求15或16所述的蒸汽切割设备(1)，其特征在于，设置 用来测量所述阴极(22)和所述工件(20)之间电流(ICUT)的设备(29)， 所述测量设备(29)与所述控制设备(25)连接。
18. 如权利要求15至17任一项所述的蒸汽切割设备(1 ),其特征在于， 设置用来测量所述阴极(22)和所述阳极(24)之间电压的设备(26),所 述测量设备(26)与所述控制设备(25)连接。
19. 如权利要求15至18任一项所述的蒸汽切割设备(1 )，其特征在于， 所述控制设备(25)包括模拟电路。
20. 如权利要求15至19任一项所述的蒸汽切割设备(1 )，其特征在于，所述开关(30)包括晶体管，特别是绝缘栅双极晶体管IGBT。
21.如权利要求15至20任一项所述的蒸汽切割设备(1 )，其特征在于， 设置用来存储预定阈值的存储器，所述存储器与所述控制设备(25)连接。
全文摘要
本发明涉及操作蒸汽等离子燃烧器(6)的方法，所述燃烧器包括阴极(22)和喷嘴(23)形式、用于加工工件(20)的阳极(24)，在操作中，借助电源(2)在所述阴极(22)和所述阳极(24)和/或所述工件(20)之间施加电流。在所述阴极(22)和所述阳极(24)之间引燃引导电弧之后，通过使所述蒸汽等离子燃烧器(6)靠近所述工件(20)，在所述阴极(22)和所述工件(20)之间形成工作电弧，并且通过从所述阳极(24)切断所述电源(2)而使所述引导电弧熄灭，而且所述电流增大到给定工作电流。为了实现所述蒸汽等离子燃烧器的优化操作，在所述加工操作过程中监测所述阴极(22)和所述工件(20)之间的电压(U<sub>UE</sub>)，并且在所述电压(U<sub>UE</sub>)超过阈值(U<sub>UEs</sub>)时，将所述电源(2)重新连接到所述阳极(24)，以重新形成所述引导电弧。
文档编号H05H1/34GK101288347SQ200680038192
公开日2008年10月15日 申请日期2006年9月6日 优先权日2005年9月9日
发明者亚历山大·斯派基内尔, 安德烈亚斯·斯塔尔曾格鲁伯尔, 马克斯·施特格尔, 黑里贝特·潘泽 申请人:弗罗纽斯国际有限公司