DE2241972A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen bearbeitung und verarbeitung hochschmelzender materialien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur thermischen bearbeitung und verarbeitung hochschmelzender materialien

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DE2241972A1 DE2241972A DE2241972A DE2241972A1 DE 2241972 A1 DE2241972 A1 DE 2241972A1 DE 2241972 A DE2241972 A DE 2241972A DE 2241972 A DE2241972 A DE 2241972A DE 2241972 A1 DE2241972 A1 DE 2241972A1
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Gerardus Jelmorini
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Description

PHN.5589. BOSS/EVH.
Dr. Herbert Scholl Patentanwalt Anmelder: N. Y. Philips' Gloeüampenfabnekeo
Akt. Na. PHK- 5589
Aomildung vomi22. August 1972
"Verfahren und Vorrichtung zur thermischen. Bearbeitung und Verarbeitung hochschmelzender Materialien".
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Bearbeitung und Verarbeitung hochschmelzender Materialien, wobei in einem Gasstrom ein elektrischer Bogen zwischen einer Priraärelektirode und einer komplementären ringförmigen Elektrode aufrechterhalten, das Bogenplasma zunächst durch eine Durchströmöffnung zwischen den beiden Elektroden und danach durch eine Austritt.smündung der Komplementärelektrodo eingeschnürt wirdp und wobei das Material in das Bogonplasma eingeführt und-erhitzt wird.
Auf diese Art und Weise können P3_asma flammen mit Temperaturen über 1O8OOO0JL boi verhältnisrrässig niedrigen üasgos'ihwindigkeiten erzielt worden«, Durch diese 'hohe Tcmpe« raturen eignet sich dieses Vorfahren besonders zum Schmelzen
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von Materialien mit einer hohen Schmelztemperatur und zum Bearbeiten von elektrisch nicht leitenden Werkstücken, Entsprechend einem derartigen, aus der britischen Patentschrift 8^5 ^11 bekannten Verfahren kann ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein pulverförmiges Material seitlich und stromabwärts von der Durchströmöffnung, jedoch stromaufwärts von der Austrittsmündung in das Dogenplasma eingeführt werden, Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass das auf diese Weise zugeführte zu erhitzende Material der Energie des Bogenplasmas nur über einen geringen Teil der Bogenlänge ausgesetzt wird. Ausserdem können Wirbel im Bogenplasma auftreten, insbesondere bei der Zufuhr stab- oder drabtförmigen Materials.
Die Erfindung bezweckt, sin solches Verfahren zu schaffen, das diese Nachteile nicht aufweist und bei dem die Energie des Bogenplasmas auf bestmögliche Art und Weise zum Erhitzen des Materials ausgenutzt wird.
Dieses Ziel wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass das Material dem Bogenplasma stromaufwärts von der Durchströmöffnung zugeführt wird. Durch diese Massnahme kann das zugpführtö Material der Energie '■'es Bogenplasmas praktisch über dio gesamte Bogenlänge ausgesetzt werden, Durch die im Vergleich zum bekannten Verfahren verbesserte VärinoUbertragung kann das zugefUhrte Material auf höhere Temperaturen erhitzt und/oder mit einer höheren Geschwindigkeit geschmolzen werden. Das zu erhitzende Material kann sowohl als Pulver oder Granulat als auch in Stab- oder Drahtfor: werden.
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Zur Durchführung des erfindiaigsgemässen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet mit einen Gehäuse, das eine Kammer aufweist, die an eine Gaszufuhr angeschlossen ist und in der die Primärelektrode angeordnet ists mit einer komplementären ringförmigen Elektrode, die mit einer Austrittsmttndung versehen und am stromabwärts liegenden Ende des Gehäuses angebracht ist, und mit einer zwischen den beiden Elektroden angeordneten Blende, die mit einer Durchsxrömöffnung versehen ist, wobei die Vorrichtung ferner mit Mitteln zum Anschliessen der Elektroden an die Pole einer Stromquelle und das Gehäuse mit zumindest einem Zufuhrkanal für die Zufuhr des zu erhitzenden Materials versehen ist. Diese Vorrichtung ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsmündung des Zufulirkanals stromaufwärts von der Blende liegt. Durch die gekennzeiphnete Anordnung der Austrittsmündung des Zufuhrkanals ist es möglich, das zuzuführende Material bis in die unmittelbare Nahe der Primärelektrode zu bringen und am Bogenteil zwischen der Primärelektrode und der Blende in das Bogenplasma einzuführen.
Eine bestmögliche Wärmeübertragung zu dem zu erhitzenden Material wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung dadurch erzielt, dass der Zufuhrkanal durch die axiale Bohrung eines rohrförmigen Elements gebildet wird, das in der Verlängerung der gemeinsamen Mittellinie der Blende und der Komplementärelektrode angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, das Material axial in das Bogenplasma, zentral in Richtung der Durchströrnöffnung und der Austrittsmündung einzuführen. Diese Ausführungsforin
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eignet sich insbesondere, Jedoch nicht ausschliesslich, für die Zufuhr von stab- oder drahtförmigen Materialien, zu deren Erhitzung eine bessere Wärmeübertragung als für pulverförmige Materialien erwünscht ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der· erfindungsgemässon Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektrode stabförmig ausgeführt und in bezug auf die Blende und die Komplementärelektrode exzentrisch angeordnet ist. Durch diese Massnahme sind eine optimale Formgebung der Primärelektrode und eine einfache Montage und Demontage möglich, während das rohrförmige Element aus dem geeignetsten Material für die Zufuhr sowohl elektrisch leitender als auch elektrisch nicht leitender Materialien hergestellt werden kann. Die Primärelektrode kann sowohl parallel als auch unter hinein Winkel in bezug auf das rohrförmige Element angeordnet werden.
Bei einer anderen bevorztigten Ausftlhrungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung bildet das rohrförmige Element zugleich die Primärelektrode. Durch die kombinierte Funktion des rohrförmigen Elements als Primärelektrode und als Züfuhrkanal ist ein besonders kompakter Bau der Vorrichtung möglich.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung, die sich insbesondere für die Zufuhr von elektrisch leitenden Materialien eignet, ist die axiale Bohrung des rohrförmigen Elements mit einer elektrisch isolierenden Bekleidung versehen.
Es sei hervorgehoben, dass es beim Plasmaschweissen an sich bekannt ist, einen Zufuhrdraht axial in ein Bogenplasr-.a einzuführen. Hierbei wird das Bogenplasnia jedoch lediglich
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durch die Ausströmöffnung einer Düse kontrahiert, die ausserdem nicht als Komplementärelektrode wirksam ist*
Die Erfindung wird anhand in den Zeichnungen dargestellter AusfUhrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Aueführungsbeispiel der Vorrichtung gemäss der Erfindung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,
In der Zeichnung sind identische Elemente der beiden AusfUhrungsbeispiele mit denselben Bezugsziffern angegeben» Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält eine aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzte Plasmapistole 1 mit einem zylinderförmigen Gehäuse 3,das eine Kammer 5 aufweist, deren oberes Ende mit einer Kappe 7 a^s elektrisch isolierendem Material abgeschlossen ist. Am unteren,. Ende des Gehäuses 3
/ ist eine mit einer Durchströmtff smng Ί1 versehenen Blende 9 angebracht. Eine stabförmige, nicht abschmelzende Primärelektrode 13 ist in der Kappe 7 befestigt und in bezwg auf die Durchströmöffnung 11 exzentrisch in der Kammer 5 angeordnet. Die Innenwand der Kammer 5 ist mit einer elektrisch isolierenden Bekleidung 15 versehen. Am Gehäuse 3 ist mit Hilfe einer Üingmutter 17 eine zylinderförmige Düse 19 niit^ einer komplementären ringförmigen Elektrode 21 befestigt,, die mit einer AustrittsmUndung 23 versehen ist. Das Gehäuse 3 und die Düse 19 sind mittels eines ringförmigen Isolierelements elektrisch voneinander isoliert. Ein in der Kappe 7 befestigtes rohrförmiges Element 27, dessen axiale Bohrung 29 einen Zufuhrkanal für das zuzuführende Material bildet,, ist in der
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Kammer 5 mittig angeordnet. Die Kammer 5* die Blende 9» die Komplementärelektrode 21 und das rohrförmige Element 27 haben eine gemeinsame Mittellinie 31.
Das Gehäuse 3 ist doppelwandig ausgeführt und weist einen Kühlmantel 33 auf mit den Anschlüssen 35» 37 für die Zu- und Abfuhr von Kühlwasser. Auf ähnliche Weise ist die Düse 19 mit einem Kühlmantel 39 mit den KUhlwasseranschlüssen kl und ^3 versehen. Die Primärelektrode 13 ist vorzugsweise aus zwei Teilen zusammengesetzt, nämlich dem durch den elektrischen Bogen zu belastenden punktförmigen Ende 45» das die eigentliche Elektrode bildet und das aus einem hochschmelzenden Metall, beispielsweise Wolfram, ausgeführt ist, und dem als Elektrodenhalter wirksamen Teil ^7» der aus einem thermisch gut leitenden Metall, etwa Kupfer, auegeführt ist. Vorzugsweise ist der Elektrodenhalter 1*7 mit nicht dargestellten Kühlkanälen und Anschlüssen ^9 und 51 für die Zu- und Abfuhr von Wasser versehen. Die Blende 9 und die Komplementärelektrode sind gleichfalls aus Kupfer hergestellt. Die Blende 9 ist mittels einer Schraubverbindung 53 am Gehäuse befestigt.· Die Komplementärelektrode 21 ist auf ähnliche Weise mittels einer Schraubverbindung 55 mit der Düse 19 verbunden. Hierdurch ist e'in einfaches Montieren und Demontieren der Blende und der Komplementärelektrode 21 möglich. Die Kappe 7 ist forner mit zumindest einem Zufuhrrohr 57 für die Zufuhr eines Plasmagasos vorsehen. Ausserdem kann die Düse 19 mit einem oder mehreren Anschlüssen 59 für die Zufuhr eines Schutzgases versehen werden. AnscMusskontakte 61 und 63 dienen für den Anschluss der Elektroden 13 und 21 an Pole 65 und 67 einer
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Stromquelle 69 Über einen Hochfrequenzgenerator YI·
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemSssen Plasmapistole eignet sich insbesondere zur Verarbeitung stab- oder drahtförmigers sowohl elektrisch leitender als auch elektrisch nicht leitender Materialien. Hierzu weiden die Elektroden 13 und 21 an die Pole 65 und der Gleichstromquelle 69 angeschlossen, wobei die Primärelektrode 21 meistens an den negativen Pol· gelegt wird. Das erfindungsgemässe Verfahren kann jedoch auch mit der Prit&ärelektrode am positiven Pol oder mit einer Wechselstromquelle ausgeführt werden. Mit Hilfe einer Hochfrequenzentladung wird zwischen den beiden Elektroden ein Bogen gezündet, der durch die Stromquelle 69 aufrechterhalten wird. Der Bogen kann ebenso durch eine Hilfsentladung zwischen der Primärelektrode 1j und der Blende 9 gezündet werden. Durch das Zufuhrrohr 57 wird ein Plasmagaa eingeführt. Als Plasmagas werden in der Praxis inerte Gase, Argon, Helium, Wasserstoff und Stickstoff sowie deren Gemische verwendet, während es bei Anwendung besonderer Elektroden auch möglich ist," oxydierende Gase zu verwenden. Das so erhaltene Bogenplasma 73 wird zweimal eingeschnürt, zunächst durch die Durchströmtffung 11 der Blende und danach durch die. Austrittsmündung 23 der Komplementärelektrode 21. Durch die axiale Bohrung 29 des rohrförmigen Elements 27 wird ein Draht oder Stab 75 axial in das Bogenplasma 73 in. Richtung der Durchströmöffnung 11 und der Austrittsraündung 23 eingeführt. Das Material gelangt, bevor es in die Durchströmöffnung 11 eintritt, bereits stromaufwärts* von der Blende 9 mit dem Bogenplasma 73 in Berührung und
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durchläuft praktisch die volle Länge des Bogens. In Anbetracht der Steifigkeit des Drahtes oder des Stabes und des Richtungeeffekts des rohrförmigen Elements 27 ist es nicht notwendig, dass die Austrittsmündung 81 des rohrförmigen Elements 27 sich bis in die unmittelbare Nähe der Primärelektrode 13 und des Bogenplasmas 73 erstreckt, Xm Bogenplasraa 73 wird das Material zum Schmelzen gebracht und in Tropfenform auf einem Untergrund abgelagert. Die Zufuhr des Drahtes oder Stabes 75 kann mittels Antriebsrollen 77 erfolgen, die von einem Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit angetrieben werden, wobei die Zufuhrgeschwindigkeit von der erwünschten Schmelzgesehwindigkeit des Materials abhängt. Durch die Anschlüsse 59 i*i der Düse 19 kann auf übliche Weise ein Schutzgas, dessen Zusammensetzung eine andere als die des Plasmagases sein kai.*!, zugeführt werden, damit das geschmolzene Material gegen Oxydation hinreichend geschützt ist. Gegebenenfalls kann der Untergrund ferner durch einen zusätzlichen Schutzgasstrom geschützt werden. Als Schutegas kommen ausser den Edelgasen auch andere Gase wie Kohlensäuregas, Gasgemische von Argon/Sauerstoff, Argon/Helium, Argon/Sauerstoff/Kohlensäuregas, sowji t Wasserstoff und Stickstoff in Frage.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsforra der erfindungsgemessen Vorrichtung, die sich von der nach Fig. 1 durch eine abweichende Form der Primärelektrode unterscheidet und die sich insbesondere für die Zufuhr pulverförmigen oder körnigen Materials eignet. Die Plasmapistöle 85 dieser Aus-
• *
führungsform weist gleichfalls ein rohrfönniges Element 07 auf, dessen axiale Bohrung 89 den Zufuhrkanal für das Material
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bildet und das ausserdem als Primärelektrode wirksam'ist. Hierzu ist ein durch den elektrischen Bogen zu belastender Endteil 91, der die eigentliche Elektrode bildet, aus einem hochschmelzenden Metall, etwa Wolfram, ausgeführt. Der übrige Teil 93 ist aus einem thermisch gut leitenden Material , etwa Kupfer, hergestellt. Die Austrittsmündung 95 des Elements liegt in unmittelbarer'Nähe der Blende 9, Ein pulverförmiges Material 97 wird beispielsweise mittels eines Trägergases durch die axiale Bohrung 89 hindurch zentral in ein Bogenplasna 99 eingeführt. Bereits beim Verlassen der Bohrung 89 kommt das Material sofort mit dem Bogenplasraa in* Berührung, Die Pulverkörner werden im Bogenplasma zum Schmelzen gebracht und in Tropfenform auf einem Untergrund abgelagert« Wenn das
zuzuführende Material elektrisch leitend ist, wird das röhren- \ förmige Element 87 mit einer elektrisch isolierenden Bekleidung 101 versehen. Diese Bekleidung iat aus einem Material,gebildet, das gegea Temperaturwechsel beständig ist j wie Quarz und Aluminiumoxyd, Mit Hilfe der Plasraapistole nach dieser AusfUhrungsform können gleichfalls stab«» oder drahtförmig!» Materialien geschmolzen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Versuchs- f resultate veranschaulicht.
Mit der in Pig, 1 dargestellten Plasmapi.stole, bei der die Austrittsmündung der Komplemcntärelektrod© einen Durchmesser von 10 min hatte, wurden mit einem Strom von 180 A .und einer Bo gen spannung von 28 V Aluminiuinoxyd stäbchen mit einem Durchmesser von 1,5 mn zum Schmelzen gebracht und auf · einem Untergrund abgelagert. Als Plasma^as wurde Argon in
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einer Menge von 5 l/min zugeführt. Je nach der Zufuhrgeschwindigkeit schmolzen die Stäbchen mit einer Geschwindigkeit von 2 bit 8 g/min.
Mit einer Plasmapistole gleicher Bauart, bei der die Austrittsmündung der Komplementärelektrode einen Durchmesser von 8 mm hatte, und bei einem Strom von 170 A und einer Bogenspannung von 30 V wurden Zirkonoxydstäbchen zum Schmelzen gebracht. Als Plasmagas wurde Argon in einer Menge von h l/min zugeführt. Die Zirkonoxydstäbchen schmolzen mit einer Geschwindigkeit von 10 g/min.
Mit der gleichen Plasmapistole, jedoch bei einer Bogenspannung von 26 V und einem Strom von 120 A, wurden AluminiumoxydetBbchen mit einem Durchmesser von Z,h mm mit einer Geschwindigkeitvon 10 g/min abgeschmolzen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemSss dor Erfindung eignen sich zum Schmelzen, Abschmelzen, Versprühen, Schweissen und Aufschweissen sowie zur Verdampfung und Aufdampfung hochschmelzend er, sowohl elektrisch leitender als auch elektrisch nicht leitender Materialien, etwa zum Anbringen verschleissfester korrosionsbeständiger und hitzebeständiger Schichten auf einem Werkstück« Wie bereits erläutert, können dio Materialien sowohl in Pulverform als auch in Draht- oder Stabfora zugeführt werden. Ausser den bereits genannten Materialien Aluminiumoxyd und Zirkonoxyd können Wolfram, Molybdän, Quarzglas, Boratglas und andere Glasarten bearbeitet und verarbeitet werden. Das Glühen stab- oder drahtförmigen Materials ist möglich, wenn das Material mit einer verhältnismässig hohen Geschwindigkeit zugeführt wird.
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Claims (1)

  1. PATENTAN SPRUECHE i
    1 , J Verfahren zur thermischen Bearbeitung und Verarbeitung hochschmelzender Materialien, wobei in einem Gasstrom ein elektrischer Bogen zwischen einer Primärelektrode und einer komplementären ringförmigen Elektrode aufrechterhalten, das Bogenplasma zunächst durch eine DurchstrHmöffnung zwischen den beiden Elektroden und danach durch eine Austrittsmündung der Komplementärelektrode eingeschnürt wird, und wobei das Material in das Bogenplasma eingeführt und erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Material dem Bogonplasma stromaufwärts von der Durchströmßffnung zugeführt wird. 2« Vorrichtung zum Durchführen-des Verfahrens nach Anspruchl mit. einem Gehäuse, das eine Kammer aufweist, die an eine Gaszufuhr angeschlossen ist und in der die Primärelektrode angeordnet iet, mit einer ringförmigen Kojjipleraentärelektrode, die mit einer Austrittsmündung versehai tand am stromabwärts liegenden Ende des Gehäuses angebracht ist und mit einer zwischen. den beiden Elektroden angeordneten Blende, die mit einer Durchströmöffung versehen ist, wobei die Vorrichtung ferner mit Mitteln zum Anschliessen der Elektroden an die jfole einer Stromquelle und das Gehäuse mit zumindest einem Zufuhrkanal für die Zufuhr des zu erhitzenden Materials versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsmündung (23) des Zufuhrkanals (29) stromaufwärts von der Blende (9) liegt. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeiclrnet, dass der Zufuhrkanal (29) durch die axiale Bohrung eines rohrförmigen Elements (27) gebildet wird, das in der Verlängerung der gemeinsamen Mittellinie der Blende (9) und dor
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    KomplementHrelektrode (21) angeordnet ist.
    k. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dase die Primärelektrode (13) stabförmig ausgeführt und in bezug auf die Blende (9) und die Komplementörelektrode (21) exzentrisch angeordnet ist«
    5» Vorrichtung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, dass das rohrftJrmige Element (87) xugleich die Primärelektrode bildet.
    6» Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bohrung des rohrförmigen. Elements (87) mit einer elektrisch isolierenden Bekleidung (Ίθΐ) versehen ist.
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