DE7148539U

DE7148539U - Plasmastrahlgenerator

Info

Publication number: DE7148539U
Application number: DE19717148539U
Authority: DE
Original assignee: RIKAGAKU K
Current assignee: RIKAGAKU K
Priority date: 1970-12-25
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1972-04-27
Also published as: CH543711A; US3770935A; DE2164270C3; DE2164270A1; FR2119768A5; DE2164270B2; GB1346790A

Description

18.596/97

RKAGAKU KENKYUSHO

Nr. 2-1, Hirosawa, Wako-shi, Saitama-ken, Japan

"Plasmastrahlgenerator"

Zusammenfassung

Offenbart wird ein verbesserter Plasmastrahlgenerator mit mindestens zwei Plasmastrahlbrennern und einer pührungszusatzeiririchtung, die fest mit den Brennern verbunden ist, um den Anodenfuss eines nichttransferierten Plasmastrahl zu fixieren. Diese spezielle Anordnung gestattet eine geeignete Auswahl des Punktes des Anodenfusses des Plasmastrahls bezügKch des Kathodenflecks desselben, wodurch ein Hochspannungsplasmastrahl realisiert wird. Ebenso verhindert die neuartige Anordnung die lokale Erosion an den Elektrodenteilen, an denen Anodenfuss und Kathodenfleck stehen, durch ein Edelgas, wodurch es ermöglicht wird, dass die Hauptbogensäule direkt ein hochkonzentriertes, aktives Gas beheizt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmastrahlgenerator mit einer Mehrzahl von Plasmastrahlbrenner, die in der Lage sind, unabhängig zu funktionieren als Plasmastrahlbrenner gerader Polarität.

So wird die Brennerwand von den Schäden frei bleiben, die dann entstehen würden, wenn man die Brennerwand als. negative Elektrode verwendet, falls der Brenner in der Form der umgekehrten Polarität benutzt wird. Die von diesen Plasmastrahlenbrennern abgegebenen Plasmastrahlen werden sich im-inneren Raum einer Führungs-Zusatzeinrichtung treffen, die direkt mit den Brennern verbunden ist. Ein Hauptbogen kann in dem elektrisch leitenden Raum gebildet werden durch Anlegung einer Spannung aus einer Hauptstromquelle an eine Elektrode jedes Plasmastrahlenbrenners, der jeweils als positive oder negative Elektrode verwendet wird und das gelieferte Gas wird durch den Hauptbogen aufgeheizt und dann durch die Führungseinrichtung entsprechend geleitet. ι

Ein Plasmastrahlengenerator (im folgenden abgekürzt P.J.G.) wurde oft ;

eingesetzt beim Schneiden, Schweissen, Beschichten und bei anderen Arbeitsvorgängen, Die Grundstruktur eines P.J.G. (siehe US-Patent 2,o06,124) wurde ursprünglich von der Firma Union Carbide Corporation entwickelt und zahlreiche Verbesserungen wurden vorgeschlagen. Bei diesen P. J.Gs. sind die Faktoren zurDeterminierung der elektrischen Kenndaten beispielsweise folgende: Gasflussmenge, Gaszusammensetzungen, Kalibergrösse, Elektro- j denabstand und Anschlusswerte. Έε sollte bemerkt werden, dass die Bogenspannung auch von diesen Fakturen abhängt. ι

Die Wirksamkeit von Heizgas ergibt sich im aUgemeinen aus der folgenden Gleichung:

Der Wirkungsgrad von Heizgas [\)

Bogen- χ Strom (I) - Brennerspannung (V) Verbrauch (L+) (1)

Bogenspannung (V) χ Strom (I) - 3 -

-	, , I B ·· »Hf» ( · i · · (	f (2)	J
-	- 3 - ι	f
	vorausgesetzt, dass
	Brennerverbrauch (L,.) = K χ Strom (I)
	+ Wärmeleitung zur Gehäusewand (L^.) •

wobei K eine Konstante ist.

Durch Ersatz der Gleichung (2) durch den entsprechenden Ausdruck der
Gleichung (1) kann folgende Gleichung erhalten werden:

H ■ ι - ir- -

Der letzte Ausdruck ist wegen seiner Kleinheit zu vernachlässigen und dementsprechend ergibt sich klar, dass der Wirkungsgrad mit der Bogenspan-·
nung ansteigen wird. ,

Eine herkommliehe Methode zur Steigerung d^r Bcgenspannung ist die
Steigerung der Turbulenzkomponente des Gasstromes beim Durchlaufen des
Brenners.

Ein weiteres Mittel zur Steigerun» der Bogenspannung ist die Schaffung ab- : gesetzter Teile, welche elektrisch isoliert sind sowohl von der Anode als ; auch von der Kathode, und die im Flussweg des Gases liegen. Wenn man !

sich jedoch auf diese Mittel verlässt, können Bogenspannungen für gege- j

bene Werte von Gasflussmengen und elektrischer Strom nicht über einen :

kritischen bestimmten Wert hinaus angehoben werden, ohne dass man schäd— ι

liehe Nebenwirkungen erhält, wie z.B. Doppelbögen, Beschädigung der :

j Mundstücksöffnung und Ableitung oder UnStabilität der Bogensäule. Die bis- i her vorgeschlagenen P. J.Gs. haben immer noch Fehler wie Kompliziertheit
im Aufbau, Betriebsschwierigkeiten und schmale Bandbreite für elektrische
Stromänderungen, Gasflussänderungen und andere Faktoren.

- 4-

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten P. J. Gs., der charakteristisch ist für die hohe Spannung und dementsprechend den stark verbesserten Wirkungsgrad des Heizgases, wobei wenig oder kein Elektrodenverbrauch auftritt. !

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuartigen Hochspannungs P. J.Gs., bpi dem ein aktives Gas hoher Dichte direkt von der Bogensäule aufgeheizt werden kann. Dieses direkte Aufheizen von konzentriertem Aktivgas mittels der Bogensäule wurde bisher für unmöglich gehalten.

V/eitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach-

stehenden Beschreibung der in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellten Ausfährungsbeispiele. Hierin ist:

Fig. 1 eine Ausführung des erfindungsgemässen P. J. Gs. in Querschnittsdarstellung und ein dazugehöriger elektrischer Schaltkreis,

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1, jedoch mit einer anderen A usführungsform für ein konzentriertes Aktivgas und einen dazugehörigen elektrischen Schaltkreis,

Fig. 3 - 8 zeigen teilweise im Schnittbild verschiedene Führungszusatzeinrichtungen für den P. J. G. nach Fig. 1,

Fig. 9 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, abgesehen von der Struktur der Führungs zusatzeinrichtung, ;

Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform dieser Erfin- : dung mit zwei positiven Plasmastrahlenbrennern und einem nega- \ tiven Plasmastrahlenbrenner, sowie einem dazugehörigen Schalt- j

i kreis; und

Fig. 11 eine Querschnittsdarstellung verschiedener Formen des hellweissen Teils der Plasmaflamme am Auslass.

In Fig. 1 wird ein Primär-P. J. G. nach der Erfindung gezeigt, der bestehe aus einem positiven Plasmastrahlenbremer A₁ einem negativen Plasma-Strahlenbrenner B und einer Führungszusatzeinrichtung C. Der positive : Plasmastrahlenbrenner A weist einen Kathodenstab 1 und mindestens zwei ' Buchsen 2, 3 auf, die zum. Kathodenstab konzentrisch angeordnet sind. Die j zweite Buchse 2 weist eine Bogenmundstücksöffnung 4 auf. Ein Gas wie Argon, Helium oder andere Edelgase werden in Form der Ströme 7 und 8

von den Einlassen 5 und 6 in den Ringraum eingegeben, der zwischen

\ Kathode und erster Buchse 2 gebildet wird und in den Raum zwischen der ersten Buchse 2 und der zweiten Buchse 3. Der negative Plasmastrahlenbrenner B weist einen Kathodenstab 9 und eine Buchse 11 auf, die konzentrisch zur Kathode angeordnet ist. Die Buchse 11 hat eine Bogenmundstücks-. öffnung 10. Ein Edelgas 13 wird über den Einlass 12 in den ringförmigen

j Raum zwischen der Kathode 9 und der Buchse Ii eingegeben.

Die Führungszusatzeinrichtung C weist zwei Einlasse 15 und 16 und einen Auslass 17 auf. Diese Einlasse sind so angeordnet, dass, wenn die Zusatzführungsein richtung an den positiven und negativen Brennern angeschlossen ist, diese Einlasse so funktionieren, dass die Gasströme von den Brennern zum Schnittpunkt der Mittelachse dieser Brenner geführt werden, wogegen der Auslass so angeordnet ist, dass er so funktioniert, dass es dem resultierenden Gasstrom ermöglicht wird, vom Schnittpunkt nach aussen zu fliessen.

Es sollte festgehalten werden, dass die Führungszusatzeinrichtung mit mindestens einer Buchse verbunden ist ( die Buchse 3 des positiven Plasmastrahlcnbrenners Ln Fig. 1), und zwar über einen Isolator 18 aus dielektrischem Material, und dass ein Gas 20 vom Einlass 19 in den ringförmigen

Raum eingeführt wird, der vom Isolierer 18 an seinem Dichtungsteil ge- j

bildet wird. Die Kathodenhalter 50, 51 und die Buchsen 2, 3, 11 und die j j Führungszusatzeinrichtung C werden durch geeignete, nicht gezeigte Mittel,

ι wassergekühlt und sind integriert über Isolatoren 52 aus beispiefsweise j

Bakelit in einer vollständig luftdichten Weise. i

Eine Hilfsstromquelle 21 umfasst einen Hochfrequenzoszillator für die Bogenbildung. Das negative Terminal der Stromzuführung 21 ist mit der ;

Kathode 1 des positiven Strahlenbrenners A über einen elektrischen Schalter 22 verbunden, während das positive Terminal mit der Buchse 2 des Brenners A verbunden ist. ·

Entsprechend ist das negative Terminal der Hauptstromquelle 23 mit einem Hochfrequenzoszillator für Bogenbildung mit der Kathode 9 des negativen Plasmastrahlenbrenners B verbunden, und das positive Terminal der Hauptstromquelle ist mit der Buchse 2 des Brenners A verbunden. Die positiven '

Terminals der Stromquellen 21, 23 sind mit der Buchse 11 über einen Schal ter 24 verbunden. Der so mit dem dazugehörigen Schaltkreis verbundene j P. J.G. wird folgendennassen funktionieren:

1) Gas 7, 8 wird zum positiven Plasmastrahlenbrenner A geliefert und dann wird der Hochfi-equenzoszillator de rHilfs st romquelle 21 durch Schliessen : des Schalters 22 eingeschaltet. {

Als Ergebnis wird ein Hilfsbogen 25 gebildet und schliesslich wird eine Plasmastrahlenflamme gebildet, die sich von der Mundstücksöffnung für den Bogen 4 bis in die Führungszusatzeinrichtung C erstreckt.

2) Gas 13 wird eingegeben und dann wird der Hochfrequenzoszillator der Hauptstromquelle 23 durch Schliessen des Schalters 24 in Betrieb genommen.

So entsteht ein Bogen 26, und dann wird eine Plasmastrahlenfiamme ge-

bildet, welche sich erstreckt von der Bogenmundstücksöffnung 10 b±s in die F ührungs zus atz einrichtung C.

3) Nachdem die Plasmastrahlenflammen gerader Polarität so erstellt wurden und einander am Schnittpunkt 14 treffen, wird der Schalter 2 4 geöffnet. Dann wird ein "haamadelförmiger" Hauptbcgen gebildet und die Plasmastrahlenflamme 28 erstreckt sich vom Auslass 17 der Führungszusatzeinrichtung C nach aussen.

Die Zuführung des Gasstroms 20 vom Einlass 19 der Führungseinrichtung C kann begonnen werden vor oder nach der obigen Betätigung 3. Der haarnadelförmige Bogen kann sich weit öffnen und als Ergebnis nähert sich der gekrümmte Schenkel des Bogens einer Seite des Einlasses 15 der Zusatzeinrichtung, wodurch die Wand des Einlasses 15 übejrmässig aufgeheizt wird. Teils deswegen, und teils wegen der Ioneninjektion in die Einlasswand ist es sehr wahrscheinlich, dass an der Einlasswand ein Xathodenfleck gebildet wird. Das ist d3r Grund für Doppelbogenbildung. Die Zuführung des Gasstroms 20 ist zunächst nützlich, um eine weite Öffnung des "haarnadelförmigen" Bogens zu vermeiden und ausserdem Ione daran zu hindern, in die Einlasswand zu gelangen, wodurch schliesslich die Möglichkeit der Doppelbogenbildung ausgeschlossen wird.

Der so betriebene Hochspannungs-P. J.G. ist in der Lage, einen stabilen Bogen zu bilden, dessen Bogenspannung mindestens zweimal so hoch ist wie die Bogenspannung eines bekannten P. J.Gs. bei gegebenem elektrischen Strom und gegebener Gasflussmenge.

Beispiel 1
Die Kenndaten eines erfindungsgemässen Apparats nach Fig. 1 sind:

Durchmesser jer Mundstücksöffnung der Buchse 3

2 mm

Durchmesser des Einlasses 15 der F üurungszusati-ein richtung

Durchmesser des Einlasses 16 der ϊ \hrungszusatzeiniichtung

Durehmesser des Durchlasses 30 der Führungseinrichtung

Distanz vom Schnittpunkt 14 zum Ende der Buchse 2

Abstand vom Schnittpunkt 14 zur Kathodenspitze 9

3 mm 0 2 mm 0 5 mm 0 mm mm

0.2 l/min. 0.4 l/min. 3. 0 l/min. 0.2 l/min. 20 A.

Gasflussmenge 7 (Argon) Gasflussmenge 8 (Argon) Gasflussmenge 13 (Argon) Gasflussmenge 20 (Argon) Bogenstrom

Ein möglichst langes Plasmastrahlenflammenteil wurde gebildet und die Bogenspannung war nicht weniger als 76 Volt. (Die Bogenspannung im herkömmlichen Plasmastrahlenbrenner beträgt 30 Volt oder weniger bei glei -chem Strom und gleicher Flussmenge).

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein P. J. G. nach der Erfindung beschrieben, der in der Lage ist, ein konzentriertes (90 Prozent oder mehr), chemisch aktives Gas aufzuheizen, welches auf das Elektrodenmaterial wirkt, wie z.B. Sauerstoff oder Luft, und zwar erfolgt dies direkt durch eine Bogensäule.

Trotz der ständig steigenden Nachfrage nach dieser Möglichkeit der Direktheizung eines aktiven Gases in den Anwendungsoereichen der chemischen Reaktionen, der Beschichtung, des Schneidens und anderer Arbeitsvorgänge

seit dem Auftreten der P. J.Gs., konnte man bisher die Aufgabe dieser Er- | findung nicht lösen. j

f· \

Bei dem Gerät von Fig. 2 ist der positive Plasmastrahlenbrenner A ahn- j lieh zu dem des Geräts der Fig. 1. Der negative Plasmastrahienbrenner B j hat eine Extra-Buchse 34 mit einer Mundstücksöffnung 34' und Extra-Ein- ' lassen 35, 36 für Gas 37, 38, wenn man mit dem negativen Plasmastrahlenr ;

i brenner B der Fig. 1 vergleicht. Die Führungszusatzeinrichtung C ist an !

I der Buchse 34 über einen elektrischen Isolator 18 befestigt. Entsprechend ·

dieser Änderung ist der positive Endpunkt der Haupt st romquelle 23 mit den

Buchsen 11 und 34 und der Führungszusatzeinrichtung C verbunden. !

Dieses Gerät kann folgendermassen betrieben werden:

1) Argon wird in Form eines Gasstroms 7 eingegeben und dann wird der

j Schalter 22 geschlossen, um den Betrieb des Hochfrequenzoszillators

der Hilfsstromquelle 21 einzuleiten, was zum Hilfsbogen 25 führt. Dann
wird die Plasmastrahlenflamme aus der Mundstücksöffnung 4 herausgeschleudert und erstreckt sich in den Hauptdurchlass 30. Zusätzlich wird
Argon in der Form der Gasströme 8 und 20 eingeführt.

2) Argon wird eingegeben in der Form von Gasströmen 13, 37 und 38 und
dann werden die Schalter 24, 24' und 24" geschlossen, damit aus der ;

Hauptstromquelle 23 eine Gleichstromspannung und eine Hochfrequenzspannung an den Brenner B angelegt werden, sowie an die Führungszusatzeinrichtung C, wodurch ein erster, nicht transferierter Bogen 26

ι entsteht. Dann wird der Schalter 24 geöffnet, wodurch die Bogensäule ;

in den zweiten, nicht transferierten Bogen 26' verwandelt wird. Dann
wird der Schalter 24' geöffnet, wodurch wiederum die Bogensäule in
einen dritten, nicht transferierten Bogen 26" verwandelt wird. Dann
unterbricht man die Gaszuführung 13 zur Kathode und der Schalter 24"

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wird geöffnet, wodurch die Hauptbogensäule 27 entsteht.

3) Der Schalter 22 wird zum Löschen des Bogens 25 geöffnet und gleichzeitig wird die Gaszuführung 7 zur Kathode unterbrochen. Sch'liesslich werden die Gasströme 20 und 38 von Argon auf Luft oder Sauerstoff um- ;

geschaltet. So kann ein hochkonzentrierter, aktiver Gasplasmastrahl erhalten werden. !

Dieser Betrieb kann vollautomatisch gestaltet werden, d.h. mit einer Ein- und einer Ausstellung, indem man ein "Rohrsystem verwendet, das vor justierte Nadelventile und Elektromagnetventile aufweist.

Beispiel 2

Die Daten des Geräts nach Fig. 2 sind:

Durchmesser des Einlasses 15 oder 16 für

die Zusatzführungseinrichtung C	3 mm 0 ;
Durchmesser des Gaskanals der Führungs zusatzeinrichtung	5 mm 0 ;
Durchmesser der Mundstücksöffnung 34' der Buchse 34	2 mm 0 j
Abstand vom Schnittpunkt 14 zur End fläche der Buchse 2	18 mm
Abstand vom Schnittpunkt 14 zur Kathoden spitze 9	I 1 34 mm
Gasflussmenge 8 (Argon) Gasflussmenge 20 (Sauerstoff) Gasflussmenge 37 (Argon)	0. 3 1/min. 0. 2 l/min. 0. 3 l/min.
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Gasflussmenge 38 (Sauerstoff) Bogenspannung

5 l/min. 2OA.

Eine Plasmaflamme von 90% Sauerstoffkonzentration wurde erhalten und

die Bogenspannung betrug nicht weniger als 115 Volt. Der Ersatz des Sauerstoffs durch Luft bewirkte ein Ansteigen bis auf J35 Volt.

Eine Mischung eines höher aktiven Gases kann erfolgen, wenn man die Kühlkapazität der Buchsen erhöht und indem man den Bogenstrom erhöht.

Im Hinblick auf die Richtungsstabilitätsverbesserung der Plasmastrahlenflamme und gleichzeitig im Hinblick auf Steigerung des Wirkungsgrades des Heizgases führten die Erfinder Experimente an einer Reihe von Führungszusatzeinrichtungen folgendermassen aus:

Die Führangszusatzeinrichtung nach Fig. 3 ist die gleiche wie der entsprechende Teil des Gerätes nach Fig. 1, abgesehen von dem ausgekehlten Teil "a" an der Abstromseite, wodurch das Ende des Auslasses 17 ziemlich nahe an der "Haarnadel"-Bogcnsäule zu liegen kommt. Bei dieser Modifikation wird die Plasmastrahlenflamme 28 von der Mittelachse 29 des Auslasses 17 entfernt und die Ausrichtung wird mit der Gasflussmenge geändert, bzw. mit dem Stromwert.

Fig. 4 zeigt weitere Änderungen der Führungszusatzeinrichtung der Fig. 3, ι darin bestehend, dass der Gaskanal um den Schnittpunkt 14 an der Aufstrom- . seite erweitert wird, während man den Schnittpunkt am Auslass gleichhält j zu dem Auslass der Führungseinrichtung nach Fig. 1 oder 3. In diesem j

Fall war die Plasmastrahlenflamme 28 auf der Mittelachse 29 des Auslasses 17 angeordnet.

Fig. 5 zeigt eine Führungszusatzeinrichtung entspre-Jiend Fig. 1, ebenso j geändert wie bei Fig. 4. Bei dieser Änderung wurde in entsprechender Weise

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die Plasmastrahlenflamme 28 auf der Mittelachse 29 des Auslasses IT angeordnet und was besser war, die Länge des hellweissen Teils des flachen Flussteils der Plasmastrahlenflamme -wurde um ungefähr 50% gesteigert. Das weist daraufhin, dass das Ausstossen der Plasmastrahlenflamme beträchtlich verstärkt wurde. Ein ähnliches Ergebnis \vurde erhalten im Hinblick auf die Führungszusatzeinrichtung, deren Gaskanal modifiziert wurd^, wie in gestrichelter Linie bei 31 angegeben.

Fig. 6 zeigt eine weitere Modifikation der Führungszusatzeinrichtung nach Fig. 5, darin bestehend, dass der Teil "b", der in gestrichelter Linie angegeben wird, abgenommen wurde. In diesem Fall ist der Walzstrom der Plasmastrahlenflamme 28 bezüglich der Mittelachse 29 des Auslasses 17

abgelenkt.

Die Führungszusatzeinrichtungen nach den Figuren 3, 4, 5 und 6 wurden für die gleichen Werte der Gasdurchsatzmenge und des Stroms geprüft.

Die Ergebnisse dieser Experimente geben an, dass:

1) die Abnahme des Teils "a" vom Ei.de der Zusatzeinrichtung nach Fig. nützlich ist, um die Plasmastrahlflamme längs der Mittelachse 29 des Führungskanals zu lenken;

2) die Querschnittserweiterung des Führungskanals nach Fig. 4 die Führungseinrichtung die Ausrichtung de- Plasmastrahlenflammen vornehmen lässt;

3) die Erweiterung des Führungskanals in der Führungseinrichtung jenseits der ausgekehlten Zone "a" nach Fig. 5 nützlich ist, um den Plasmastrahlflammenverlust zu reduzieren, der sonst auftreten würde, an dem TeU, der dem ausgekehlten TeU "a" in Fig. 3 entspricht;

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L _

j 4) wenn sich die Querschnittserweiterung weit in den Einlass der Führungs- ' einrichtungen entsprechend Fig. 6 erstreckt, wird der Ausrichtungs- :

effekt bei der Plasmaflamme auf der Mittellinie verschwinden.

Aus den Ergebnissen der oben erwähnten Versuche gelangten die Erfinder zu folgenden Schlussfolgerungen:

j Die Aufbauten der Führungseinrichtunger. nach Fig. 4 und 5 sind nützlich, um dv.ii störenden Fluss zu lenken, der sich aus den Gasströmen ergibt, die aus j den Einlassen in die Führungseinrich⁺ung gelangen, so dass der resuitieren-

de Fluss mit der Mittellinie der Führungszusatzeinrichtung zusammenfällt.

Wie in Fig. 6 zu sehen, ist die Position des Auslasses bezüglich der Bogenj säule kritisch und es ist notwendig, dass ein Teil des "haamadelförmigen" ι Bogens oder mindestens der scharf gekrümmte Teil der Haarnadel in der J Mündungsöffnung erscheint, und zwar aus folgenden Gründen:

! erstens wird der Eintritt eines Teils der Bogensäule in dif Mundstücksöffnung bewirken, dass die Temperatur des Gases in derselben ansteigt und

j dementsprechend wird sich das Gasvolumen erweitern, was schliesslich zu einer Steigerung des Flusswiderstandes des Mundstücks führt, was nützlich ist, urn die Leitfähigkeit des Mundstücks zu steigern. Dann kann der Lenkeffekt der Wand der Öffnung, welcher ungünstig ist, wegen des Hitzeverlustes, wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 zu sehen, reduziert werden, und der Ausstoss der Plasmastrahlflamme wird verbessert werden, denn die "Haarnadel"-Form des Bogens ist ungefähr die Hälfte der Gesamtenergie des Bogens bzw. liegt auf der Mittelachse der Mundstücksöffnung zur Aufheizung des Gases.

Fig. 7 und 8 zeigen weitere Änderungen der Führungszusatzeinrichtung. Die Führungszusatzeinrichtung der Fig. 7 ist insbesondere für Schneiden gedacht. In diesem Beispiel ist der Raum 32, in den die "Haarnadel" einge-

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führt wird, grosser als der Auslass 17 der Führungseinrichtung ausgestaltet, '

welche beispielsweise 1 mm (J aufweist, denn sonst würde die "Haarnadel" \ j I

j nicht in die Mundstücksöffnung hineinpassen, i

• -

Fig. 8 zeigt eine Änderung der Führungszusatzeinrichtung nach Fig. 4. Bei dieser Änderung ist eine blinde Bohrung 33 in der Wand des Führungskanals j gegenüber dem Einlass 15 der Führungszusatzeinrichtung angebracht. So \

wurde die Direktheit des laminaren Flusses des Plasmastrahls, der von der Öffnung 17 mit relativ kleinem Durchmesser ausgestossen wird, wesentlich verbessert. !

Wie sich klar aus den Ergebnissen der Experimente an den Modifikationen ^! nach Fig. 3-6 ergibt, kann die'Direktheit der Plasmast rahlf lamme verbessert werden und gleichzeitig kann der Wirkungsgrad des Heizgases dadurch I erhöht werden, dass man den Querschnitt des Führungskanals über die Länge des Kanals jenseits des Schnittpunktes der beiden Mittelachsen des positiven ' und negativen Plasmastrahlenbrenners zum Auslass hin vergrössert. I

Fig. 9 zeigt einen P. J.G., welcher äquivalent ist zur Ausführungsform nach Fig. 2, jedoch modifiziert durch Ersatz der Führungszusatzeinrichtung der Fig. 4 oder 5 durch den entsprechenden Teil des Apparats nach Fig. 2. Diese ■

i Modifikation wurde mit dem Apparat nach Fig. 2 mit folgenden Ergebnissen . ■

verglichen: j

Beispiel 3

Betriebsbedingungen: Gasstrom 8 Gasstrom 37 Gasstrom 7 Gasstrom 13 Gasstrom 38

Argon 0. 3 l/min.

Argon 0. 3 l/min, keiner keiner

Sauerstoff 4 l/min.

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Gasstrom 20 Bοgenspannung Bogenstrpm

Sauerstoff 1 l/min. 95 V
50 A.

P. J.G. nach Fig. 2

Durchmesser d , d der Einlasse 15, Durchmesser d„ des Auslasses

Abstand £ vom Schnittpunkt 14 zum Auslass 17

d_1# d₂ = 3.0 ram d = 5. 0 mm 0

Jt = 8,5

mm

Die PJasmastrahlflamme erstreckte sich über 25 bis 30 cm und sie wich ungefähr 2 Grad von der Mittelachse 29 ab.

P. J.G. nach Fig. 9

Durchmesser d d der Einlasse 15,

Durchmesser d des Auslasses

Durchmesser d des Führungskanals

Abstand Λ \ vom Schnittpunkt 14 zum Auslass 17

* ^d2 ^{= 3}*°

dg = 5.0 mm 0

d. = 7.0 mm 0 4

*·, = 4. 5 mm

0
2 = 4.0 mm

Die Plasmastrahlflamme erstreckte sich über 35 bis 50 cm auf der Zentralachse 29.

Der Mündungsteil wurde in die Zwei-Stufenform nach Fig. 7 umgebaut.

Die folgenden Bogenspannungen wurden bei verschiedenen Durchmessern d und d des Einlasses 16 und des Auslasses 17 erhalten und die Plasmastrahlenflammen-Abgabe, welche für Schneiden geeignet war, wurde wesentlich verbessert.

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3.0 mm 0 3.0 mir. 0 2. 0 mm 0 i. 5 mm 0 2. 0 miu 0 1.0 mm 0

Bοgenspannung	Druck in dem Fühl" zusatz (Eirhdruck)
95 V
110 V	2 0:1 kg/cm
120 V	1. 0 kg/cm '.

Beispiel 4

Betriebsbt Jingungen Gasstrom 38 Gasstrom 20

Sauerstoff 12 l/min. Sauerstoff 3 l/min.

(Die Flussmenger der anderen Gasströme entsprachen denen des Beirpiels 3.),

Bogenspannung 130 V

BogenstiOm 50 A

P. J. G. nach Fig. 2

Die Abmessungen des Apparats waren identisch zu denen des Beispiels 3. Der glühende Teil der Flamme bestand aus einem gestörten Fluss von ungefähr 2 cm Länge und die Plasmastrahlflamme wich ungefähr 3 Grad oder mehr von der Mittelachse ab.

P. J.G. nach Fig. 9 ;

Die besonderen Abmessungen des Gerätes waren identisch mit denen nach Beispiel 3. Der glühende Teil der Flamme bestand aus einem gestörtem Strom von ungefähr 3, 5 cm Länge und die Plasmastrahlflamme war gerade gerichtet. j

Die Abweichung und die Länge der Plasmastralilflamme ist ein direktes Mass für den Wirkungsgrad des Heizgrades bei einer bestimmten Betriebs-

- 17 - ·

■ bedingung. Im Hinblick darauf ist es evident, dass die Wirkung des speziellen Aufbaus der Führungszusatzeinrichtung nach Fig. 4 oder 5 bemerkenswert ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Heizgases. Zusätzlich erleichtert die Möjrlichkeii d-~ ÄnHpnmtr Ηρτ··!ηΐ!ί?ρτηρησ°η ri°=

j Gasstromes 20 innerhalb eines breiten Fächers die Bedienung des Geräts.

Wie aus dem obigen entnommen werden kann, hat der erfindungsgemässe P. J.G. eine einzige Mundstücköffnung und mindestestens eine Anodenelektrode, die wesentlich sich unterscheidet von einem herkömmlichen P. J. G., der die Innenwand der M ün dungs öffnung als Anodenelektrode verwendet.

Die Vorteile aus dem Einsatz einer Mehrzahl von positiven Plasmabrennern sind:

zunächst natürlich kann die Anodeninputleistung gleichmässig auf so viele Teile verteilt werden, wie positive Plasmastrahlenbrenner vorhanden sind, womit man die Beschädigung der M ün dungs öffnung aufgrund lokaler Hitzekonzentration vermeidet, wie dies bisher der Fall war. Ausserdem kann der ungünstige Effekt des Gaseinspritzens über den Einlass 15 auf den Hauptbogen wesentlich reduziert werden.

Fig. 10 zeigt einen P. J.G. mit einem negativen Plasmastrahlbrenner und zwei positiven Plasmastrahlbrennern, die symmetrisch zum negativen Brenner angeordnet sind. Dieses Gerät entspricht dem nach Fig. 1, abgesehen von der Führungszusatzeinrichtung. Ein einzelner Schalter 24 ist zur Schaffung der Plasmastrahlflamme in jedem Negativbrenner vorgesehen. Obwohl zwei HiKsStromquellen 21 in der Zeichnung gezeigt werden, kann eine einzige Stromzuführung verwendet werden, indem man die relevante elektrische Verbindung in geeigneter Weise ändert, denn die Vorrichtung ist nicht gleichzeitig auch für die positiven Strahlenbrenner zu verwenden.

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'-2.I

In Betrieb wird der Hauptbogen durch den positiven Plasmastrahlenbrenner erzeugt, mit dem der Schalter 24 verbunden ist (rechter Brenner in der Zeichnung), und zwar in der gleichen Weise wie bei dem Apparat nach Fig. 1, Wenn der Hauptbogen so hergestellt wurde, wird ein Hilfsbogen durch den anderen positiven Plasmastrahlbrenner hergestellt (linker Brenner in der Zeichnung), und dann wird darin ein Hauptbogen hergestellt. Nach dem Zustandekommen des Hauptbogens auf der linken Seite wird der Schalter 22 geöffnet und dann wird die Zuführung des Gasstroms 7 unterbrochen. Die Flussmengen an Gas 7 und 8, wie z.B. Argon, werden geeignet gewählt, beispielsweise 0.2 l/min. So wird der Hauptbogen 27 schliesslich endgültig hergestellt.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel des Gerätes betrug der gesamte elektrische Strom 40 A und die Bogenspannung betrug 73 V.

Fig. 11 zeigt die Formen der Querschnitte der glühenden Kerne der Plasma= strahlflammen, die vom Hauptkanal 30 abgegeben werden, wenn Gas entweder von rechts oder links von positiven Plasmastrahlenbrennern abgegeben wird, und zwar in einem gleichen Druck, der sich am Mittelpunkt des Hauptkanals ausgleicht. In der Zeichnung ist der äussere Kreis 39 die Wand des Hauptkanals der Führungszusatzeinrichtung und die Richtung der Gaszuführung über den positiven Plasmastrahlenbrenner wird vom Pfeil angegeben. Der schraffierte Teil 40 ist der Querschnitt des glühenden Teils oder Mittelpunkts der Plasmastrahlflamme im Auslass 17.

Fig. 11 - I bezieht sich auf einen einzigen positiven Plasmastrahlenbrenner und zeigt die exzentrische Lage des glühenden Kerns, dessen Querschnitt elliptisch ist. Dieses Phänomen wird bei der Plasmastrahlenflamme eines konventionellen Brenners beobachtet.

Fig. 11 - Π bezieht sich auf den Einsatz von zwei positiven Plasmastrahlen- j. brennern und zeigt die zentrierte Lage des glühenden Kerns 40, dessen

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Querschnitt eine Ellipse ist.

Fig. 11-III bezieht sich auf die Winkelanordnung dreier positiver Plasmastrahlenbrenner jeweils 120 voneinander entfernt und zeigt die zentrierte T^age des glühenden Kerns 40., dessen Querschnitt fast kreisförmig ist.

Fig. 11 /IV bezieht sich auf die Winkelanordnung von vier positiven Plasmastrahlenbrennern in 90 Grad Abstand und zeigt die zentrierte Lage des glühenden Kerns, dessen Querschnitt sich einem Kreis nähert.

Die Anordnung des glühenden Kerns im genauen Mittelpunkt der Mündungsöffnung nach Fig. 11-11, III und IV bedeutet die Ausrichtung des Plasmastrahls in der Mittelachse des Hauptkanals, wodurch der thermische Verlust reduziert wird, der verursacht würde, wenn die Plasmastrahlenflamme die kanalwand berühren würde. Das Zentrieren der Plasmastrahlenflamme über eine Mehrzahl von positiven Plasmastrahienbrennern ist zur Verbes= serung des Wirkungsgrades des Geräts gvinstig.

Aus Gründen der Vereinfachung wurde die Erfindung bisher unter Bezugnahme auf nichttiransferierte P. J. Gs. mit gerader Polarität beschrieben, es sollte jedoch bemerkt werden, dass die P.J.G.s. mit umgekehrter Polarität nach dieser Erfindung auch nützlich sind. Man geht allgemein davon aus, dass die

Verwendung von Sauerstoff oder Luft in den transferierten P. J.Gs. die ;

j Schneidgeschwindigkeit bei Stahl oder Aluminiumblättern erhöhen wird. j

Um jedoch die Beschädigung des Elektrodenteils eines konventionellen P. J.Gs. zu vermeiden (spezifischer gesagt, um eine Lebensdauer gleich dem, Gerät zu erzielen, bei dem Argon zum Einsatz kommt), ist es notwendig, J ein Edelgas in der Form eines nichttransferierten Betriebs einzusetzen und | dann Sauerstoff oder Luft hinzuzugeben als Ersatz für das Edelgas nach dem j Übergang des Bogens zuia Werks'tück. Dieser Vorgang ist zu umständlich und j macht das Gerät praktisch nutzlos. Dieser Fehler wird erfindungsgemäss überwunden durch Schaffung eines ersten, nichttransferierten Plasmastrahls

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mit Hilfe einer Hilfsstromquelle und dann durch einen transferierten Plasmastrahl zwischen dem Kathodenstab und dem Werkstück mit Hilfe der Hauptstromquelle.

Bisher wurde die Erfindung beschrieben als Einsatz von Plasmastrahlen mit grader Polarität, es ist jedoch für den Fachmann ersichtlich, dass ein P. J. G. nach der Erfindung auch umgekehrte Polarität verwenden ia nn. Mit anderen Worten wird der erfindungsgemässe P. J. G. unabhängig von der Art des Plaemastrahls nicht beschädigt. Die hier offenbarten Ausführungsformen haben die Achse des positi\ "si Plasmastrahlenbrenners und die Achse des negativen Plasmastrahlenbrenners in Diagonalanordnung. Beim Schneiden eines Werkstücks cus dielektrischem Material, wie z.B. Beton, bei nichttransferiertem Betrieb oder beim Schneiden eines leitenden Materials, wie z.B. Aluminium, Eisen und anderen Metallen bei transferiertem Betrieb, wurden zwei Plasmastrahlenbrenner in einem Winkelabstand von 60 angeordnet, womit man zunächst ermöglichte, dass der Haarnadelbogen sich dem Auslass näherte, womit die thermische Energie am Werkstück erhöht würde -und wobei zweitens der Auslass für das Werkstück zugänglich wurde, denn die Plasmastrahleneinheiten bewirken keine oder nur wenig Behinderung am Werk- !stück. Natürlich kann der Winkel, mit dem die beiden Plasmastrahleneinheiten angeordnet werden, willkürlich den Erfordernissen angepasst werden.

Der P. J.G. wurde in zahlreichen industriellen Bereichen angewandt, seit dem er in der Fachwelt bekannt wurde und die Erfindung erweitert den Anwcrdungsbereich im Hinblick auf die Bandbreiten, die sich aus wirtschaftlichen und technischen Betrachtungsweisen ergeben.

Claims

18.596/97 P-a-t~e-«-t s ρ r ü c h e :

1. Ein Plasmastrahlengenerator, dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist mindestens zwei Plasmastrahlenbrenner, die in der Lage sind, als positiver Brenner und als negativer Brenner zu funktionieren, eine Führungszusatzeinriclitung, die mit den genannten Brennen? fest verbunden ist und von mindestens einem der genannten Brenner dielektrisch getrennt ist und Mittel zur Zuführung von Gas in den Innenraum an der Verbindung zwischen dem genannten Führungszusatzgerät und dem genannten einen 3renner.

2. Ein Plasmastrahlengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dor positive Brenner einen Kathode;:;.tab un i mindestens zwei Buchsen aufweist, und dadurch, dass der negative Brenner einen Kathodenstab und eine Buchse aufweist, wobei die Führungszusatzeinrichtung einen Kanal, mindestens zwei Einlasse und einen Auslass aufweist, wobei der genannte Kanal sich am Auslass öffnet und die Mundstücksöffnung des negativen Brenners über einen der Einlasse und die Mundstücks öffnungen der positiven Brenner über die anderen Einlasse verbindet.

3. Ein Plasmastrahlengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Zusatzführungseinrichtung dielektrisch von jedem einzelnen Brenner isoliert ist.

4. Plasmastrahlengenerator nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brenner einen Kathodenstab und mindestens zwei Buchsen aufweist.

5. Ein Plasmastrahlengenerator nach Anspruch 2, dadurch ge-

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kennzeichnet, dass der ge\annte Kanal jenseits der Kreuzung der Mittelacnsen der Brenner auf der Abstromseite einen reduzierten Querschnitt ' fweist.