DE2254504A1

DE2254504A1 - Winkelduesenelektrode fuer plasmageneratoren

Info

Publication number: DE2254504A1
Application number: DE2254504A
Authority: DE
Inventors: Eduardo Romero; Anthony Joseph Rotolico
Original assignee: Metco Inc
Current assignee: Metco Inc
Priority date: 1971-11-12
Filing date: 1972-11-08
Publication date: 1973-05-17
Also published as: DE2254504C2; GB1382089A; CA943636A; IT966034B; FR2159271A1; JPS5541000B2; FR2159271B1; JPS4868196A; US3707615A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH D1PL.-ING. SELTING

5 KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

Köln, den 28.10.1972 _Mr/Ax/Hz

Metco Incorporated,

1101 Prospect Avenue, Westbury, L.I., New York 11590 (USA).

Winkeldüsenelektrode für Piasinageneratoren

Die Erfindung betrifft Winkeldüsen für Plasmaflammspritzanlagen.

Plasmaflammgeneratoren und Plasmaspritzpistolen, bei denen ein Lichtbogen und ein in Berührung mit dem Lichtbogen geführter Gasstrom verwendet werden, werden erfolgreich für technische Zwecke und Versuchszwecke verwendet. Diese Vorrichtungen bestehen im allgemeinen aus einer Elektrodenanordnung, zwischen denen ein Lichtbogen gezündet wird, einer Düse und Teilen zur Führung eines Gas- < Stroms in Berührung mit dem Lichtbogen und durch die Düse.

Bei Generatoren mit nicht übertragenem Lichtbogen,, die im allgemeinen als Brenner zum Schneiden, Schweißen u.dergl. verwendet werden, erstreckt sich der Lichtbogen im allgemeinen von einer Elektrode, z.B. einer Stabelektrode oder einer Elektrode mit flacher Stirnwand, z.B, einer Scheibe, zum Werkstück durch eine Düse, z.B. eine gekühlte Düse, während ein Gasstrom in gleicher Richtung mit dem Lichtbogen durch die Düse geführt wird.

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Bei Plasmaf lammgeneratoren mit nicht übertragenem Lichtbogen wird der Lichtbogen zwischen zwei Elektroden gezünde t, von denen eine die Form einer Düse hat, und der Gasstrom wird in Berührung mit dem Lichtbogen und durch die Düse geführt.

Plasmaflammspritzpistolen stellen im Prinzip lediglich Plasmaflammgeneratoren dar, in denen Teile zur Führung eines durch Hitze schmelzbaren Werkstoffs in Berührung mit dem Plasmas brom vorgesehen sind. Im Plasmastrom kann der Werkstoff geschmolzen oder wenigstens erweicht und beispielsweise auf die Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks ausgestoßen werden.

Die USA-Patentschrift 2 960 594 beschreibt einen Plasmagenerator, in dem der elektrische Lichtbogen eingeschnürt und langgestreckt ist und mit Hilfe einer Hülle aus plasmabildendem Gas wenigstens teilweise eine Düse hinabgeführt wird, wobei das Gas, das in dieser Weise auf den Lichtbogen einwirkt, in sich selbst in den Plasmaenorglezußtand überführt wird und als Heizmedium ausgenutzt werden kann. Dieser Plasmaflammgenerator eignet sich sehr gut als Plasmaflammen erzeugender Teil der Plasmaflammspritzanlage, die in der USA-Patentschrift 2 455 510 beschrieben wird.

Das Plasmaspritzen in kleinere Löcher oder Bohrungen bietet Schwierigkeiten bezüglich der Zugänglichkeit des zu spritzenden Bereichs. Zum Beschichten solcher Bereiche waren Winkeldüsen, wie sie in der USA-Patentschrift 2 960 594 beschrieben werden, notwendig. In diesen Vorrichtungen verläuft der Aus trittsteil des Düsendurchgangs im rechten Winkel zu einem Teil mit einer zentralen Bohrung. Düsen dieser Konstruktion arbeiten zwar wirksam, erfordern jedoch große Mengen Kühlwasser auf Grund der großen Wärmemenge, die von den Wanden der Düse während des Brennens dee Lichtbogens absorbiert werden. Ferner

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verursacht der Lichtbogen in diesen Winkeldüsen Erosion und Einfressungen im Durchgang, wodurch häufiges Auswechseln notwendig ist. Die Verwendung dieses Düsentyps erwies' sich somit nicht als zweckmäßig, ■ -

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Winkeldüse für einen Plasmaflammgenerator verfügbar zu machen, die die vorstehend genannten Nachteile der bekannten Düsen nicht aufweist, eine verhältnismäßig lange Lebensdauer hat und die Aufbringung von Spritzüberzügen in kleine.Löcher oder 3ohrungen hinein ermöglicht«,

Die Aufgaben, die die Erfindung sich stellt, werden durch eine für Plasmageneratoren bestimmte Winkelaußenelektrode gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Düsenkörper mit einem sich durch diesen erstreckenden. Durchgang, dessen. _t . Wand wenigstens teilweise aus elektrisch leitfähigem· Werkstoff besteht und der gebildet wird aus einem Eintrittsende, einem zentralen Zwischenteil und einem Austrittsteil, der als Düsenmündung oder Austrittsöffnung im Düsenkörper endet, wobei die Achse des Austrittsteiles einen Winkel (ß) zur 'Achse des Eintrittsendes und einen kleineren Winkel Ci-O zur Achse des Zwischenteiles ausbildet. Die'Winkel düsenelektrode gemäß der Erfindung ermöglicht, dabei die Bestimmung optimaler Winkel zwischen den Einzelteilen des Düsendurchganges, wodurch ein Plasmagas-Richtglied oder -führungsglied erhalten wird, das sowohl dauerhaft und haltbar als auch wirksam bei Plasmaspritzverfahren ist.

Die Erfindung wird nachstehend₇in Verbindung mit eier Abbildung erlfhitert, die einen senkrechten Schnitt durch eine Winke] außenelektrode gemäß· der -Erfindung zeigt.-

Die in der Abbildung dargestellte Winkeldüsenelektrode 10 gemäß der Erfindung v/eist einen Düsenkörper 11 auf, durch den sich ein JJüsendurchgang aus drei Teilen erstreckt _y nämlich einem Eiiitrittseiide 12, das sich konisch zu einen Zwischenteil 14 verjüngt, und einem in einer Austrittsöffnung

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oder Mündung 19 endenden Austrittsteil I5. Außerdem ist die in der Abbildung dargestellte besondere Ausführungε-form mit röhrenförmigen Blindbohrungen 20 und 21 versehen, durch die ein Kühlmittel, z.B. Wasser, umgewälzt werden kann. Der Düsenkörper 11 ist mit Rippen 16 versehen, die die Befestigung der Düse am Plasmagenerator erleichtern.

Wie die Abbildung zeigt, verläuft der Zwischenteil 14 der Düse im Winkel zur Achse des Eintrittaendes und der Austrittsteil 15 im Winkel zum Zwischenteil 14 und in . einem größeren Winkel zur Achse des Eintrittsendes 12, Der Winkel, in dem der Zwischenteil 14 der Düse von der Achse des Eintrittsendes 12 abweicht, ist als A bezeichnet, und der Winkel, in dem der Austrittsteil von der Achse des Eintrittsendes 12 abweicht, ist als B bezeichnet. Der Unterschied zwischen den beiden Winkeln in der Abbildung ist als Δ bezeichnet. Es wurde gefunden, daß für optimalen Betrieb eines Plasmaflammspritzgenerators mit der Winkeldüsenelektrode gemäß der Erfindung bestimmte · Winkel für den Zwischenteil 14 und den Austrittsteil 15 der Düse festgelegt werden können. Diese bestimmten Winkel * ermöglichen es, mit einer Plasmaspritzanlage ohne Verschlechterung der Haltbarkeit und Lebensdauer der Düse gemäß der Erfindung in kleine Löcher hineinzuepritzen.

Die optimale Winkelbeziehung zwischen dem Zwischenteil und dem Austrittsteil 15 der Winkeldüse wurde empirisch durch die folgende Formel festgelegt:

sin (B-A) Of 90# sin B

Unter Verwendung dieser empirischen Formel und- optimaler Spiitzwinkel für den Ausgangsteil^15,^kdnne:^inkel B, und die entsprechenden Winkel für den zentralen Zwischenteil der Düse, Winkel A, bestimmt werden.

Zur Erzielung annehmbar dichter normaler Überzüge muß mit einem Winkel zur Oberfläche des Werkstücks, der gewöhnlich

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wenigstens 45° beträgt, gespritzt werden* Wenn das Werkstück in einem Winkel von etwa 90 biß 45° gespritzt wird, ergibt sich keine sehr große Änderimg der Struktur der aufgetragenen Schicht. Bei Verwendung der Düsenelektrode gemäß der Erfindung zum Spritzen in Bohrungen, die so groß sind, daß der richtige Spritzabstand von der Düsenmündung 19 zu dem zu beschichtenden Bereich möglich ist, ist es zweckmäßig, daß der Winkel des Austrittsteils, d.h. der Winkel B, 90° oder ungefähr 90° beträgt, so daß der gespritzte Werkstoff senkrecht auftrifft. Bei Löchern, bei denen nicht der richtige Spritzabstand möglich ist, d.h. bei Lochern ..mit Durchmessern von weniger als 127 nun» ist ein Winkel B des Austrittsteils von etwa 4-5° zweckmäßig. Ein für alle Zwecke geeigneter praktischer Winkel B des Austrittsteils wäre etwa 65 ·

Aus der vorstehend genannten empirischen Formel sin (B - A) S- Wo sin B

werden die Winkel des Zwischenteils 14, d.h._: Winkel A, die den optimalen Winkeln von B, nämlich 45 bis' 90° entsprechen, mit 5 bis 26° berechnet. Für einen, bevorzugten. Winkel B von 65° beträgt der entsprechende Winkel A etwa 10°.

Es ist zu bemerken, daß die vorstehend genannten Winkel A empirisch mit Hilfe der oben genannten angenäherten Formel bestimmt wurden. "Daher sind Abweichungen von plus oder minus 2° als im Rahmen der Erfindung liegend anzusehen. Daher würden optimale Winkel A zwischen etwa 4 und 28° liegen. Ferner wurde festgestellt, daß ein bevorzugter Winkel A, der einem Winkel B von 65° entspricht, im Bereich von etwa 10 bis 12° liegen würde.

In der, Abbildung ist ferner ein Pulverzuführungsteil 30 dargestellt, durch das ein durch Hitze schmelzbarer Werkstoff, der verspritzt werden soll, zugeführt wird» Dae

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Pulver tritt au£5 der Pulveraus fcritfcßüffnung 31 aua und kreuzt den Plasaaflainmstrahl, der aus der Mündung 19 der Düsenelektrode austritt. Der zu verspritzende, durch Hitze schmelzbare Werkstoff, z.B. Metallpulver oder Iveramikpulver, die üblicherweise mit Spritzanlagen dieses Typs verspritzt werden, wird durch den Pulverzuführungsteil mit Hilfe eines geringen Volumens eines Trägergases, z.B. eines Inertgases wie Stickstoff, Helium und Argon, geführt.

Die Düse 11 kann aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Werkstoff, z.B. Kupfer, Kupferlegierungen, Messing, Aluminium und Stahl, bestehen. Der Düsenkörper kann jedoch auf, Isoliermaterialien, z.B. synthetischen Haraen wie Polyäthylen und Nylon bestehen. In diesem Fall sollte jedoch die gesamte Düsenbohrung oder wenigstens ein Teil mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgekleidet oder mit einem elektrisch leitfähigen Einsatz versehen sein₍

Die Kühlelemente 20 und 21 sind bei der in der Abbildung dargestellten Ausführungsform als äußere röhrenförmige Bohrungen dargestellt, jedoch können beliebige Mittel zur Kühlung der Plasma-Düsenelektrode gemäß der Erfindung verwendet werden. Geeignet wäre beispielsweise ein Mantel, der den Düsendurchgang ringförmig umgibt.

Die neue Konstruktion.der Winkeldüse gemäß der Erfindung eignet sich für alle Typen von Plasaageneratoren und PLatJniaspritzpistolen, bei denen ein lichtbogenbiMender Strom von einer Sfcabelekfcrode ausgeht, die an der Einübromöffiiung 18 eingesetzt ist und koaxial mit der Achse des I'infcrittsendes 12 in die Düse ragt und mit Mitteln ver-

ohen ist, die die Führung eines p^lasmabildenden Gases in Berührung mit dem Lichtbogen durch die Düse ermöglichen. Beispielsweise eignet sich die Düse gemäß der Erfindung, abgesehen von ihrer Winkelform, für eine Plaemaspritzanlage in der gleichen Weise wie die sich nach außen verjüngende Düse, die Gegenstand des USA-Patents 3 145 287 ißt.

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Außerdem kann die Winkeldüse gemäß der Erfindung in Kombination mit beliebigen üblichen Verlängerungsrohren verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

Y 1.//Winkeldüsenelektrode fur Plasmageneratoren, gekennzeichnet durch einen Düsenkörper (11), durch den eich ein Durchgang erstreckt, dessen Wand wenigstens teilweise aus elektrisch leitfähigem Werkstoff besteht und der ein Eintrittsende (12), einen Zwischenteil (14-) und einen als Mündung (19) endenden Austrittsteil (15) hat, wobei die Achse des Austrittsteils (15) einen Winkel (S) zur Achse des Eintritteendes (12) und einen kleineren Winkel (A) zur Achse dee Zwischenteils (14) bildet.
2.) Winkeldüsenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Eintrittsende8 (12), die Achse des Zwischenteils (14) und die Achse des Austrittsteils (15) in solchen Winkeln zueinander verlaufen, daß der Sinus des Winkels zwischen den Achsen des Austrittsteilfl (15) und des Zwischenteils (14) etwa 9/10 des Sinus des winkele (ß) zwischen den Achsen des Austrittsteile (15) und des Eintrittsendes (12) auemacht.
3.) Winkeldüsenelektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Austrittsteils (15) einen Winkel (ß) von etwa 45 bis 90° zur Achse des Eintrittsendes (12) bildet und die Achse des Zwischenteils (14) in einem Winkel Öl) von etwa 4 biß 28° zur Achse des Eintrittsteile (12) verläuft.
4.) Winkeldüsenelektrode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende (12) des Durchgangs sich konisch zum Zwischenteil (14) verengt.
5.) Winkeldüsenelektrode nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Austrittsteils (15) zur Achse des Eintrittsendes (12) einen Winkel (ß) von et v/a 65° und die; Achse dos Zwischenteils (14) mit der Achse des Eintrittsondes (12) einen Winkel (A) von etwa 10 biß bildet.

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6.) V/inkel düs enel ektrode nach Anspruch 1 bia 5, gekennzeichnet^ durch einen Vorrichtungsteil (30) für die Zuführung von Flammspritapulver vor die Mündung (19) des Düsendurchganges. -
7.) Winkeldüsenelektrode nach Anspi^uch 1 bis 6, die die Düsenelektrode von Plastnaflammspritzpistoleii bildet, gekennzeichnet durch eine koaxial zur Achse des Eintrittsendes (12) verlaufende Stabelektrode, Geräte zur Erzeugung eines Lichtbogens zv;ischen der Stabelektrode und der Düsenelektrode (11) und Anordnungen zur Führung eines pläsmabild'enden Gases durch den Düsendurchgang.
8.) V/inkel düs en el ekt ro de nach Anspruch 1 bis ?, gekennzeichnet durch Durchgänge (20, 21) für ein Kühlmedium,- dia sich in den Düsenkörper (11) erstrecken und wenigstens einen Teil des Düsendurcbganges umgeben.

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