DE2256050B2 - Plasmastrahlgenerator - Google Patents

Description

das in dem Plasma enthalten ist, auch in den Raum zwischen der Plasmastrahlflamme und der sie umgebenden Atmosphäre eingeleitet werden kann, so daß das eingeleitete Gas die Plasmastrahlflamme vollständig umhüllt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 965 576 sind mehrere, als Elektroden dienende Plasmastrahlbrenner bekannt. Diese bekannten Brenner sind aber nicht durch eine Führungseinrichtung zusammengefaßt, so daß sie weder den Gegenstand der älteren Anmeldung noch die vorliegende Erfindung nahezulegen vermögen.

Bei einem aus der USA.-Patentschrift 2 972 696 bekannten Plasmastrahlgenerator mit fünf je eine Kathode und eine düsenförmige Anode enthaltenden Lichtbogenplasmabrennern, einer Zündeinrichtung und einem Gaseinlaß für jeden der brenner und mit einer mit den Brennern fest verbundenen Führungseinrichtung, in welche die aus den Brennerdüsen austretenden Plasmastrahlen eintreten und welche eine Eintrittsöffnung für einen allen Brennern gemeinsamen Plasmastrahl aufweist, besteht die mit den Brennern fest verbundene Führungseinrichtung aus einer zentralen Kammer mit kugelförmigem Volumen, in oer die von den Brennern erzeugten Plasmastrahlen vor ihem Austritt aus der Austrittsöffnung innig durchmischt werden. Bei dem bekannten Generator wird lediglich die Kumulierung der Plasmastrahlen mehrerer Brenner erreicht, die bei ständigem Elekuodenverbrauch nur mit einem geringen Wirkungsgrad arbeiten. Der bekannte Plasmastrahlgenerator weist den Umhüllungsgasstrom nicht auf und vermag somit die Erfindung nicht nahezulegen.

Bei einem aus der französischen Patentschrift 1 225 906 bekannten Plasmastrahlgenerator wird die Plasmastrahlflamme zum Schütze der Elektroden gegen chemische Reaktionen mit dem Gas des Plasmastrahls von einem Gasstrom, vorzugsweise einem Inertgassirom, umgeben. Auch dieser bekannte Plasmastrahlgenerator vermag die Erfindung nicht nahezulegen, weil dieser weder die Merkmale des Plasmastrahlgenerators nach der älteren Anmeldung noch einen die austretende Plasmastrahlflamme gegen die Umgebungsluft abschirmenden Umhüllungsgasstrom aufweist.

In üblichen Plasmastrahlschweißbrennern wird eine Oxydation eines Werkstücks mit Hilfe eines Schutzgases verhindert. Auch beim Plasmastrahlspritzen wird ein Schutzgas verwenoet. Die gasförmige Umhüllung der Plasmastrahlflamme nach der Erfindung unterscheidet sich aber von diesen Maßnahmen wesentlich, weil sie entweder die Veränderung der Zusammensetzung des Piasmas verhindert oder dessen Zusammensetzung in einer für den jeweiligen Arbeitsvorgang vorteilhaften Weise verändert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zum Metallspritzen die Führungseinrichtung mit einer Einrichtung zum Zuführen von Spritzgui und mit einem an die Austrittsöffnung anschließenden und sich erweiternden Endteil versehen, wobei die Gaszuführungshülse an der Führungseinrichtung so befestigt ist, daß zwischen der Außenwandung des sich erweiternden Endleils und der Innenwandung der Gaszuführungshülse ein Ringraum vorhanden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnuni! '/i'M't

Fig. 1 einen Plasmastrahlerzeuger gemäß der älteren Anmeldung im Schnitt, zusammen mit einem elektrischen Schaltschema dafür;

F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar zeigt F i g. 2 im Längsschnitt einen zum Schneiden geeigneten Plasmastrahlerzeuger zusammen mit dem entsprechendem elektrischen Schaltschema und F i g. 3 ebenfalls im Längsschnitt ein zum Spritzen geeignetes Gerät mit dem entsprechenden

ίο elektrischen Schaltschema.

Der in F i g. 1 gezeigte Plasmastrahlerzeuger gemäß der älteren Anmeldung dient zum Erzeugen eines Plasmas, das zu einem sehr hohen Prozentsatz von 90 °/o oder mehr aus Sauerstoff, Luft oder anderen reaktionsfähigen molekularen Gasen besteht. Der Erzeuger umfaßt im wesentlichen einen positiv gepolten Plasmastrahlbrenner A, einen negativ gepolten Plasmastrahlbrenner B und eine Führungseinrichtung C.

Der Positiv gepolte Plasmastrahlbrenner A besitzt einen Kathodenstab 1 und mindestens zwei Hülsen 2 und 3, die mit dem Kathodenstab 1 konzentrisch sind. In der zweiten Hülse 3 ist eine Drossel stelle 4 vorgesehen, die den Lichtbogen einengt. Von den

Eintrittsöffnurigen 5 und 6 wird ein Gas, wie Argon, Helium oder ein anderes Inertgas, in Form von Strömen? und 8 dem Ringraum zwischen der Kathode und der ersten Hülse 2 bzw. dem Ringraum zwischen der ersten Hüh>e 2 und der zweiten Hülse 3 zugeführt.

Der negativ gepolte Plasmastrahlbrenner B besitzt einen Kathodenstab 9 sowie mit der Kathode 9 konzentrische Hülsen 10 und 11, von denen die äußere Hülse 11 eine den Lichtbogen einengende Drosselstelle 11'besitzt.

Gasströme 14 und 15 werden von den Eiutrittsöffnungen 12 und 13 dem Ringraum zwischen dem Kathodenstab 9 und der ersten Hülse 10 bzw. dem Ringraum zwischen der ersten Hülse 10 und der zweiten Hülse 11 zugeführt. Durch die Verwendung der ersten Hülse 10 wird die Lebensdauer des Geräts verlängert und die Stabilität seines Betriebes verbessert.

Die Führungseinrichtung C besitzt zwei Eintrittsöffnungen 17, 18 und eine Austrittsöffnung 19. Diese Eintrittsöffnungen sind so ausgebildet, daß bei an dem positiv und dem negativ gepolten Strahlbrenner befestigter Führungseinrichtung diese F.intrittsöffnungen die Gasströme von dem positiv und dem ne-

gativ gepolten Strahlbrenner zu dem Schnittpunkt 16 der Mittellinien dieser Brenner führen. Dagegen ist die Austrittsöffnung so angeordnet, daß sie eine Strömung des so gebildeten Gasstrorr.s von dem Schnittpunkt 16 nach außen gestattet.

Die Führungseinrichtung C ist mit den äußeren Hülsen 3, 11 des positiv und des negativ gepolten Plasmastrahlbrenners durch elektrische Isolatoren 20 verbunden. Von den Eintrittsöffnungen 21 und 22 werden Gasströme 23 und 24 an die Ringräume abtieiieben. die im Bereich der elektrischen Isolatoren 20 vorhanden sind.

Die Kathodenhalter 1' und 9' und die Hülsen 2, 3 und 10. 11 sind auf geeignete, nicht dargestellte Weise wassergekühlt. Die Kathodenhalter und die ihnen zugeordneten Hülsen sind durch die elektrischen Isolatoren 20 luftdicht miteinander verbunden. Die FührungseinrichtungC ist ebenfalls auf nicht gezeigte, geeignete Weise wassergekühlt.

/Γ

Gemäß Fig.1 ist der Kathodenstab 1des positiv ^JjJ^^ S^*£&£

gepolten Plasmastrahlbrenners Λ über d« Kathc^ ^d^ ™g ^s ^ ^ ^ _Gas ._{fl Fonn}

denhalter 1' an den Minuspol einer ™fsstromquelle &*™g»£^ _Strömun ⁸ _zugeführt werden kann.

25 angeschlossen und ist die^ Hülse 2 .durch men erne _{Gasstrom lü2 wird über} die Em-

Schalter 26 an den Pluspol ^der _n^"™_n™b₉ trittsöffnung 104 und den ersten Ringraum 105 und

stromquelle 25 angeschlossen. Der Kathoclenstab9 mirso & öffnungen 107 dem zweiten Rmg-

des negativ gepoSten Plasmastrahlbrennersß i£ übe ™Γ₀₆ ^führt. Nlch dem Durchtritt durch

den Kathodenhalter 9' an den Minuspol der riaupt raum £ ^ ^^ ^ ^_n

stromquelle 27 angeschlossen. Die Hülsen 10,11 des ^_ndung |₀₈ (Kegelwinkel 50°) und der komschen

negativ gepolten BrennersB, J**^™*^. " nicheder Führungseinrichtung tritt der Gasstrom

tung C und die Hülse 2 des positiv 8^»^ ^Bre£, ^ _der Gaszuführungshülse aus, wobei er einen nng-

ners A sind über je einen Schalter 28, 28 b*w. ä a Gasstrom 110 bildet, der die Plasmastrahl-

_an den Pluspol der ^f^^^^^ Zme umschließt. Ein Ersatzwerkstück mit einer

Die Hauptstromquelle und die ^Hl^^omS^e _{nden l5} Gaseintrittsöffnung 112 und einer Gasaustnttsoff-

sitzen je einen mit Funk enen ladung arbeit enden _l5 oase ^ ^ _{daß die} Gasemtntts-

Hochfrequenzoszillatür, der zum ^E^Jf^en ^J _öffn*_{ng mit der} Längsachse der Plasmastrahl-Lichtbogens dient und mit J^^JÄJ LmJ fluchtete. Das Ersatzwerkstück wurde auf Agsspannung eine an die Brenner angeieg _ih it Wie wassergekühlt

Lichtbogens dient und mit J^^JÄJ LmJ fluchtete. Das Ersatzwerkstück wurde auf.

Ausgangsspannung eine an die Brenner angeieg _{eeeignete) nich}t gezeigte Weise wassergekühlt. Gleichspannung überlagert wird. ., _{r ao} ^B _Ό%_τ Kathodenhalter 9' des negativ gepolten Plas-

Der vorstehend beschnebene Plasmastraltlcrzeuger _m^_{hlbrenners B ist mit dem Minu}s_Pol der Stromarbeitet wie folgt: quelle 114 und das Ersatzwerkstück 111 mit dem 1 Positiv gepolter Plasmastrahlbrenner A Pluspol der Stromquelle 114 über einen Schalter 115

Als Gasstrom 7 wird Argon «β^Λ Dgn^ird verbunden.

der ^^\_of£^Z^J^25\nL·^ Der Plasmastrahler^ hatte folgende Kennwerte: SnSTen und dadurch der Hilfslichtbogen 29 er- _Durchmesser der Austrittsöffnung 19 5 mm

F^^^^^^^^ ^Gtm8 JS

^ÄSCrc.treck, sich bis - 3 _Q^_{Qm 15} Argo

Hauptkanal 30 der Führungseinnchtung C. Als Gas 0 ™

ströme 8 und 23 wird Argon zugeführt. Gasstrom 23 0 2 Vmin

2. Negativ gepolter Plasmastrahlbrenner B Gasstrom 24 Sauerstoff.

Ak Gasnröme 14 15 und 24 wird Argon züge- 35 5 l/min

führt. Dann werden die Schalter 28, 28^und 28 ge- Hauptlichtbogenstrom 20 A

"!lossen, so daß der Hochfrequenz-Oszillator der Lichtbogenspannung Π 5 V

kauptstrimquelle 27 in Betrieb genommen und der

erste indirekte Lichtbogen 31 erzeugt. *J™: ™°*_ _{Wenn sich unter} diesen Bedingungen die Austritts-

des öffnens des Schalters 28 bildet die■ L^o^n 4 ^ ^^ ^^ ^ ^_{a lQmm von}

säule den zweiten indirekten Lichtbogen .31 .?J™™ _{der O1}f_{erfläche des} Ersatzwerkstückes befand, betrug infolge des öffnens des Schalters 28 dieLiW Sauerstoffkonzentration an der Gasaustnttsoff-

säuie den dritten indirekten Lichtbogerι 31 ^t; _nung H₃ etwa 70 ·/..

Der Gasstrom 14 ^^jetzt ^terbroch^n.Schhe^ g _Sauerstoff in Form des zusätzlichen lieh wird der Schalter 28" geöffnet, so daß die haar 45 ₁₀₂ ·_{η dner M von} 3_{1/min ZU}gesetzt, nadelförmige Hauptlichtbogensaule M gebilderm^a Sauerstoffkonzentration des aus der Gas-3. Durch das öffnen ^fff^J^^ml austrittsöffnung 113 austretenden Gases auf etwa Hilfslichtbogen 29 geloscht. Unter ^^J«?™^. _{9Oa/o stieg}. Dagegen wurde hinsichtlich der Sauergen wird als Gasströme J3 und ^M Luft oder Saue _ * ^^^/ _des p_lasmas vor dem Verlassen stoff anstatt Argon zugeführt Aus -J^ ^S. _der Austrittsöffnung keine Änderung festgestellt, nung des Erzeugers tritt dah ««·» "⁸^^ _wenn der von der slromquelle 114 abgegebene Artlamme 33 aus, die zu 90 ·/. oder mehr aus einem ^.^^ _{dne Stromstärke von 10} A hatte. Bei einem reaktionsfähigen Gas besteht. stärkeren Arbeitsstrom wird das Ersatzwerkstück zer-Der Plasmastrahlerzeuger gemäß der alteren M _daß ^ ^^ _{Arbdtsströme ke}ine Ver-

Austrimöffiiung 1» to Führungseinrichtungeine

^führunphül» »geordnet ™I-.*. * BeispU.2

Saszüführungshülse angeordnet wird sj Beispiel!

Plasmastrahlflamme von einem mit dem P^^maJ^ _fi 3 _{zgAgt eine} ^ Spritzen geeignete, andere

Beispiel 1 richtungC hat eine im Durchmesser relati g

9 reist ein für Schneidarbeiten geeignetes 65 Austrittsöffnung 116, eine Austritteöffnung 118 tu .2 zeigt ein lu _b β pulverförmiges Spntzgut 117 und fur ein Tragerg^

B£53£S^f5"-*^A "^T rrTr ^{stIomabwäm env}"^tc

pulverförmiges Spntzgut 117 und fur ein Tragg^ ^mit«»» ^⁰«»» ™l 101 a»sge- Haupt-Gaskanal 119.

7 8

Die Außenwandung 101 der Führungseinrichtung Unter diesen Bedingungen wurde als zusätzlicher ist von einer Gaszuführungshülse 103 umgeben, Gasstrom 102 Sauerstoff in einer Menge von 4 l/min durch die ein zusätzlicher, ringförmiger Gasstrom und wurde ferner Sauerstoff als Trägergas 117' in 102 laminar strömen kann. Dieser wird von der Ein- einer Menge von 1,5 l/min ohne mitgeführtes pulveritrittsöffnung 104 durch den ersten Ringraum 105, 5 s'.ertcs Spritzgut zugeführt. Das aus der Gasaustrittsdie winzigen öffnungen 107 und den zweiten Ring- öffnung 113 austretende Gas enthielt 98 % Sauerraum 106 hindurch dem Ringraum 109 zugeführt, stoff. Wenn unter denselben Betriebsbedingungen, aus dem das zusätzliche Gas schließlich als Hüllgas bei fortgesetzt strömendem Trägergas 117', die Gas- 110 austritt. zuführungshülse 103 entfernt wurde, sank der Sauer- ^ „, ,, , , , „ ίο stoffgehalt von an der Gasaustrittsöffnung 113 ge-Der Plasmastrahlerzeuger hat folgende Kennwerte: nommenen Gasproben auf 45 »/<>.

Durchmesser der Austrittsöffnung 19 5 mm Man erkennt, daß die Anwendung des Erfindungs-

Abstand H vom oberen Ende der gedankens auf den Plasmastrahlerzeuger gemäß der

Austrittsöffnung zur Oberfläche älteren Anmeldung die volle Ausnutzung der Yor-

des Ersatzwerkstückes 111 45 mm 15 teile des Geräts ermöglicht. Insbesondere ermöglicht

Abstand H' vom oberen Ende der die Verwendung des Plasmastrahlerzeugers gemäß

Gaszuführungshülse zur Ober- der Erfindung eine Erhöhung des Sauerstoffpartial-

fläche des Ersatzwerkstückes ill 5 mm drucks auf einer "naximalen Wert, so daß die Anfor-

Gasstrom 8 Argon, derungen hinsichtlich der Erzielung eines hohen Wir-

0,3 l/min 20 kungsgrades und der Vei meldung von nachteiligen

Gasstrom IS Argon, chemischen Veränderungen beim Schneiden von

0,3 l/min Eisen oder Aluminium oder beim Spritzen vollkom-

Gasstrom 23 Sauerstoff, men erfüllt werden.

0,2 l/min Der Plasmastrahlerzeuger gemäß der Erfindung

Gasstrom 24 Sauerstoff, 35 ermöglicht auch die Verwendung eines Piasmas, das

10 l/min andere Gase als Sauerstoff, beispielsweise den beim

Hauptliciitbogenstrom 60 A Plasmastrahlspritzen von Nitriden verwendeten

Lichtbogenspannung 130 V Stickstoff, unter einem erhöhten Partialdruck enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 Patentansnrürhe- Elektrodenverbrauch führt, ist Gegenstand der älte- mentansprucne. ren Patentenmeldung P 2164 270.6-33 der Anmelde-

1. Plasmastrahlgenerator mit einem aus einem rin.

Kathodenstab und einer hülsenförmigen Anoden- Übliche Plasmastrahlgeneratoren sind zum Schneielektrode bestehenden ersten Lichtbogenpias- 5 den von Eisenwerkstoffen nicht geeignet, weil sich mabrenner und mindestens einem weiteren aus Eisenschlacke in beträchtlichen Mengen längs der einem Kathodenstab und mindestens zwei hülsen- Schnittkante ansammelt und deren Aussehen beeinförmigen Anodenelektroden bestehenden Licht- trächtigt. Diese Schlacke läßt sich nur sehr schwer bogenplasmabrenner, wobei während des Betrie- entfernen. Beim Schneiden mit Sauerstoff sammelt bes der Kathodenstab des ersten Brenners an den io sich zwar an der Schnittkante keine oder nur wenig negativen Pol und die Anodenelektroden der wei- Eisenschlacke an, doch führt die Zuführung von teren Brenner an den positiven Pol einer Strom- Sauerstoff um die Plasmastrahlflamme herum in unquelle angeschlossen sind, mit einer mit den erwünschter Weise zu einer Herabsetzung der Tem-Brennern verbundenen Führungseinrichtung, die peratur der Plasmastrahlflamme. Beim Spritzen mit von mindestens einem der Plasmabrenner elek- 15 Ferrit kann das Ferrit gut nach seinem Auftragen auf trisch isoliert ist, und Eintrittsöffnungen, welche das Werkstück nur in einer Sauerstoffatmosphäre das Innere der Führungseinrichtung mit dem In- monokristallin wachsen. Aus dem vorstehend angenern der Plasmabrenner verbinden, und eine gebenen Grund ist aber die Zufuhr von Sauerstoff Austrittsöffnung für den Plasmastrahl aufweist, um die Plasmastrahlflamme herum unvorteilhaft, so und mit Gaszuführungseinrichtungen, die Gas in 20 daß sich der übliche Plasmastrahlgenerator zum einen zwischen der Führungseinrichtung und der Spritzen mit Ferrit nicht verwenden läßt,
jeweils äußersten Hülsenelektrode der Brenner Der eingangs beschriebene Plasmastrahlgenerator gebildeten Raum einleiten, dadurchgekenn- nach der älteren Anmeldung hat den Anwendungszeichnet, daß die Austrittsöffnung (19) eine bereich von Plasmastrahlbrennern dadurch erweitert, Gaszuführungshülse (103) aufweist, die mit 25 da£ es be: diesem möglich ist, Sauerstoff, Luft und einem verjüngten Endteil (101) der Führungsein- andere Gase, die gegenüber dem Werkstoff der Karichtung einen die Austrittsöffnung umgebenden thode und der Anode chemisch reaktionsfähig sind, Ringraum begrenzt, durch den ein zusätzlicher direkt mit Hilfe des Lichtbogens zu erhitzen, der aus Gasstrom strömt, der den aus der Austrittsöff- dem heißesten Teil oder dem Kern der Plasmastrahlnung austretenden Plasmastrahl umhüllt. 30 flamme besteht. Vor Schaffung des Plasmastrahl-

2. Plasmastrahlgenerator nach Anspruch 1, da- generators nach der älteren Anmeldung hatte man durch gekennzeichnet, daß die Führungseinrich- angenommen, daß das direkte Erhitzen von reaktung (C) mit einer Einrichtung (118) zum Zufüh- tionsfähigen Gasen durch den Lichtbogen zum ren von Spritzgut (117) und mit einrm an die Schneiden und Metallspritzen nicht möglich sei, weil Austrittsöffnung (19) anschließenden und sich er- 35 die Werkstoffe der Kathode und der Anode chemisch weiternden Endteil (101) versehen ist und daß erodiert würden.

die Gaszuführungshülse (103) an der Führungs- Bei der Verwendung des Plasmastrahlgenerators

einrichtung (C) so befestigt ist, daß zwischen der nach der älteren Anmeldung besteht die Gefahr, daß Außenwandung des sich erweiternden Endteils die Zusammensetzung der Plasmastrahlflamme durch (101) und der Innenwandung der Gaszuführungs- 40 den Eintritt von Luft aus der Umgebung nachteilig hülse (103) ein Ringraum (109) vorhanden ist. verändert wird, so daß sich das Ergebnis beim Schei

den oder Metallspritzen verschlechtert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher,

den eingangs beschriebenen Plasmastrahlgenerator in

45 der Weise zu verbessern, daß nach Bildung des Plas-

Die Erfindung betrifft einen Plasmastrahlgenerator mastrahls dessen Zusammensetzung durch Eintritt mit einem aus einem Kathodenstab und einer hülsen- von Umgebungsluft nicht verändert wird,
förmigen Anodenelektrode bestehenden ersten Licht- Diese Aufgabe wird bei dem Plasmastrahlgenera-

bogenplasmabrenner und mindestens einem weiteren tor der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, aus einem Kathodenstab und mindestens zwei hül- 5° daß die Austrittsöffnung eine Gaszuführungshülse senförmigen Anodenelektroden bestehenden Licht- aufweist, die mit einem verjüngten Endteil der Fühbogenplasmabrenner, wobei während des Betriebes rungseinrichtung einen die Austrittsöffnung umgeder Kathodenstab des ersten Brenners an den negati- benden Ringraum begrenzt, durch den ein zusätzliven Pol und die Anod;nelektroden der weiteren eher Gastrom stömt, der den aus der Austrittsöff-Brenner an den positiven Pol einer Stromquelle an- 55 nung austretenden Plasmastrahl umhüllt. Dieser zugeschlossen sind, mit einer mit den Brennern verbun- sätzfiche, den Plasmastrahl umhüllenden Gasstrorr denen Führungseinrichtung, die von mindestens verhindert den Lufteintritt in die Plasmastrahl einem der Plasmabrenner elektrisch isoliert ist und flamme und damit dessen nachteilige Veränderung Eintrittsöffnungen, welche das Innere der Führungs- Der eingangs beschriebene Plasmastrahlgenerato einrichtung mit dem Innern der Plasmabrenner ver- ⁶° kann daher in seiner erfindungsgemäß verbessertei binden, unH eine Austrittsöffnung für den Plasma- Ausbildung mit größerem Erfolg zum Schneiden un< strahl aufweist, und mit Gaszuführungseinrichtungen, Spritzen und für andere Arbeiten verwendet werden die das Gas in einen zwischen der Führungseinrich- Die Zusammensetzung des Plasmas kann so gewähl tung und der jeweils äußersten Hülsenelektrode der werden, wie es den Anforderungen des jeweilige! Brenner gebildeten Raum einleiten. Ein Plasma- 65 Arbeitsvorganges entspricht, wobei die Plasma Strahlgenerator dieser Art, der gegenüber bekannten flamme durch den Umhüllungsgasstrom gegen nach Plasmastrahlgeneratoren zu einer erheblichen Steige- teilige Veränderungen geschützt ist. Der Plasma rung des Wirkungsgrades bei stark verringertem Strahlgenerator ist so ausgebildet, daß dasselbe Ga!