DE1571171A1

DE1571171A1 - Plasmaspritzpistole

Info

Publication number: DE1571171A1
Application number: DE19641571171
Authority: DE
Inventors: Guenter Nette; Dipl-Phys Dr Rer Nat F Wendler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-08-25
Filing date: 1964-09-12
Publication date: 1970-11-26
Also published as: DE1571153B2; BE667157A; US3387110A; GB1125806A; CH410701A; GB1046865A; DE1571153A1

Description

■Zusatz' zu Patent . . . . . (Anmeldung

Das Hauptpatent betrifft eine Plasmaspritspistole mit gleichmäßiger Pulverzufuhr. Solche Spritzpistolen oder Plasmabrenner zum Versprühen von pulverförmiger! Stoffen in' schmelzflässigem Zustand haben ein wachsendes Anwendungsgebiet. Sie werden einmal eingesetzt, um Stoffe aufzutragen, die wegen ihres hohen Schmelzpunktes,, wie beispielsweise'Wolfram,- nicht mit anderen Methoden zu Überzügen auf Werkstücken'verarbeitet werden können. Zum anderen können Formkörper aus schwer zu verarbeitenden.Materialien hergestellt werden. DEiZU können 2«B» rotierende Formstäbe verwendet worden, auf die das gewünschte Material aufgesprüht wird, und die dann aus dem gewonnenen Werks titdE BtisgeBchraoleen oder ausgebrannt werden»

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Nach einem Ausfuhrungsbeispiel für die Plasmaspritzpistple tritt / das in einer Lichtbogenstrecke im Brennkanal gebildete" Plasma durch eine im Kanal des Brenners angeordnete Düse, hinter der ein Pulverzuführungskanal mündet. Das Arbeitsgas wird dabei in der Lichtbogenstrecke ionisiert, wodurch es Plaamaoigenschaft erhält. Ein Vorteil dieser Plasmaspritzpistole ist es, daß mit der Änderung der Strömungsverhältnisse in der Düse die sugeführte Pulvermenge variiert werden kann. Die Strömungsverhältnisse wiederum können beispielsweise durch die Lichtbogenleistung beeinflußt werden.

Bei Plasmabrennern taucht nun allgemein das Problem auf, dem Arbeitsgas hohe Leistung auf verhältnismäßig kleinem Ήηum zuzuführen. Deshalb wird bei einem bekannten Plasmabrenner angestrebt, den Lichtbogen und einen ummantelnden Gasstrahl durch eine Düse so einzuschnüren, daß der Lichtbogen und der Gasstrahl ein und dieselbe Strömung bilden. Dazu wird u.a. vorgesehen, den zwischen Elektroden brennenden Lichtbogen mittels den Gasstromes in die einschnürende Düsenbohrung hineinzublasen. Das hat den Nachteil, daß die Düse sehr stark beansprucht wird und nur eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer aufweisen kann. Von der mangelhaften Standfestigkeit dieser Düse abgesehen,könnte man daran denken, diese Düse für das Pulveransaugen einzusetzen, indem man z.B. hinter der Düse einen Pulverkanal münden läßt. Ss hat sich aber als Nachteil herausgestellt, dai das Pulver dann im Lichtbogen und in seinem Fußpunkt derart erschmolzen wird, daß es an den KanalwHnden zu Ablagerungen kommt, die zur Verstopfung den Brennkanals führen können.

Um den geschilderten Schwierigkeiten auszuweichen, wird bei bekannten Plasmaapritzpistolen daa Pulver mit einem zusätzlichen

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Transportgas in den Brennkanal unter Druck zugeführt. Das bringt aber neben strömungstechnischen Nachteilen den weiteren Iiachteil mit sich, daß in die heiße Zone des Brennkanals verhältnismäßig viel kühles Gas zugegeben wird.

Da es sich gezeigt hat, daß u.a. durch gestörte StröniungsVerhältnisse die Pulverzuführungsleitungen verstopfen, sieht ein bekannter Vorsehlag vor," das Pulver erst kurz vor der Austrittsöffnung des plasmaführenden Kanals und nach dem eigentlichen Brennkanal mit der Lichtbogenstrecke durch ein Transportgas zuzugeben. Dabei bereitet es große Schwierigkeiten, das Pulver ausreichend zu erschmelzen. Andererseits verlangt aber die Fokussierung des erschmolzenen Pulvers im Plasmastrahl einen genügend langen Kanal nach der Pülverzugabe. ·

Ein anderer bekannter Vorschlag sieht deshalb vor, das aufzutragende "Material in Stabform einem Plasmabrenner zuzuführen. Dabei muß man in Kauf nehmen, daß aus dem aufzutragenden Pulver erst Stäbe gepreßt werden müssen, die zudem bei vielen Materialien sehr zerbrechlich sind» Es ist auch nicht einfach, die .Stäbe dem Plasmabrenner so zuaführen, daß die. Strömungsverhältnisse ungestört bleiben.

Alle die geschilderten Sghwierigkeiten werden durch die Erfindung in einfacher Weise dadurch überwunden, 'daß die Düse mit anschließender Mündung eines Pulveransaugkanals außerhalb der Lichtbogenstrecke angeordnet ist.

Der Erfindung liegt außerdem die Erkenntnis zu Grunde₉ daß es · bei der dem Arbeitrrgas durch den Lichtbogen'zuführbaron Leistung ;

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lediglich auf Lichtbogenspannung und Stromstärke sowie auf die Menge, eines umhüllenden Gasstromes am Lichtbogen ankommt. Die Licht bogenspannung kann dabei u.a. durch strömungsbedingte Lichtbogenverlängerung erhöht werden· Die in den Lichtbogen eintretende Gasmenge ist dabei von der Wahl eines Düsendurchmessers einer etwa um Gasstrom und Lichtbogen angeordneten'Düse weitgehend unabhängig. Deshalb kommt man ohne eine um Lichtbogen und Gasströmung angeordnete weitere Düse aus, weshalb Lebensdauer und Leistungsfähigkeit erhöht werden. Der Lichtbogen kann dann gegen die beispielsweise als Anode geschaltete Wand dee Brennraumes bzw. Brennkanals brennen.

Der besondere Vorteil einer Plasmaepritzpistole mit der erfindungsgemäßen Anordnung einer Düse und eines Pulveransaugkanals liegt in der leistungsabhängigen Selbststeuerung der Pulverzuführung:

Wird einmal der Gasdurchsatz für die Plasmaspritzpistole erhöht, so wird der strömungsunten brennende Lichtbogenfußpunkt von der Gasströmung fortgetragen, weshalb der verlängerte Lichtbogen höhere Spannung aufweist und somit größere Leistung abgeben kann. Dadurch wird das Plasma stärker erhitzt und die Strömungsgeschwindigkeit durch die Düse mit der Mündung des Pulveransaugkanals erhöht, weshalb der Unterdrück in der Ansaugleitung ansteigt und mehr Pulver zugeführt wird.

Wird dem Lichtbogen andererseits, beispielsweise durch Verkleinern des Begrenzungswiderstandes, ein größerer Strom zugeführt, oo wird das Plasma ebenfalls stärker erhitzt und bei größerer PlaamnstrO-mung mehr' Pulver angesaugt. Da das in den Lichtbogen eintretende Gns ionisiert und erhitzt wird, kommt er, gleichzeitig zu einer

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Erhöhung der Leitfähigkeit im Liehtbogenpfad - der Lichtbogen wird durch das Gas getragen -, weshalb die Stromstärke weiter ansteigen kann. Im Endeffekt wird auch hier bei größerem Plasmadurchsatz und höherer Strömung mehr Pulver angesaugt. Bei einer erfindungsgemäßen Plasmaspritzpistole wird also automatisch immer die günstigste Pulvermenge zugeführt. Bei bekannten Flammspritzpistolen, bei denen .mitunter Pulver angesaugt wird, tritt die Seibatsteuerung nicht auf, da das Pulver in kaltes Gas zugegeben wird, das am Kanalende mit einer Flamme verbrennt. Deshalb ergeben sich bei Flammspritzgeräten beim Pulveransaugen auch keine besonderen Schwierigkeiten.

In der Zeichnung ist! eine nach dem Baukastensystem zusammengesetzte Plasmaspritzpistorle als besondere Ausgestaltung der Erfindung sche~ matisch dargestellt. - · - ■>

Fig. 1 gibt die Plasmaspritzpistole im Längsschnitt wieder.

Fig. 2 ist die perspektivische Ansicht der äuselnandergenommenen Teile der Plasmaspritzpietole nach Fig.1.

In dem Diagramm nach FIg»3 ist der Ansaugunterdruck über der Durchflußmenge des Arbeitsgases abgetragen.

Fig. 4 gibt ein Diagramm für den Ansaugunterdruck,über der Lichtbogenleistung abgetragen, wieder.

In dem AußfUhrungsbeispiel nach Fig.T 1st mit 1 eine tellerförmige Kathodenhalt©rung aus einem Material wie Messing bezeichnet. Zentriaoh eingesetzt Ist eine etlftförmlge Kathode 2, die aus Wolfram gefertigt eein kann. Die Kathode hat etwa einen Durohmesser von 4· nim und ist elektrisch gegen den im. wesentlichen, zylindrischen Mantel 3» z*Bv aus Stafel, dadurch ia&lierfc, daß die tölteförmige

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Halterung zum Mantel einen Abstand aufweist. Am Rücken 4 des Mantels 3 ist für Zuführungen ein Schlitz ausgefräst, der um das Kühlmittelabführungsrohr 5 erweitert sein kann. Es folgt ein elektrisch isolierender Ring 6, z.B. aus Hartgummi, mit einem Schlauchanschlußstutzen 7» beispielsweise aus PVC, für die Zuführung von Arbeitsgas. In den anodisch geschalteten Brennkanal 8, der aus Kupfer sein kann, taucht die Kathode höchstens bis auf 1/3 der Brennkanallänge ein. Am Sbrömungsende des Brennkanals 8 ist eine Düse -9 aus Y/olfram eingesetzt. Der Brennkanal hat etwa eine Länge von 20 mm und einen Durchmesser von 5 mm. Mit der Schulterpartie ist die Düse 9 etwa 6 mm lang und hat etwa einen Durchmesser von 3 mm. Brennkanal und Düse werden von einem Kühlringkörper 10 aus Messing ummantelt.

Der strömungsab nach der Düse liegende Brennerkanal führt das Plasma zum Werkstück und soll hier als Plasmakanal bezeichnet werden. Im Plasmakanal 11 ist eine glatte Oberfläche wichtig. Der Kanalkörper kann aus Kupfer bestehen, das in der Kanalbohrung poliert wurde oder das verchromt oder mit ,einem Nickelüberzug versehen wurde. Es hat sich auchgessigt, daß Molybdän oder Wolfram für den Plasmakanal besonders geeignet ist. In dem flanaöhartigon Fortsatz 12 des Plasmakanals liegt ein am inneren Umfang offener Ringkanal 13 zum Ansaugen von Pulver, das über eine Ansaugleitung 14 zugeführt wird, Plasmakanal und Flanschte!! alnd in einen HUIlkörpor 15 aus Messing eingelötet und bilden den Plaammkanalringkörper 16. Länge und Durchmesser doa Plasmakanals können der gewünschten Strahlbündelung angepaßt; v/erden. Ein enger und langer Kanal ergibt qtarko Fokussierung des Pulvers im Plaomastrahl,· Bei den Maßen des Auaführungsbeispiels kann die Länge des Plasmakanals etwa zwischen 10 und 20 mm uat der Durchmesser νύή 4 Ml» 5 mm

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schwanken. Über den Röhranschluß 20 des PlasmakanalringkcJrpeirs wird das Kühlmittel zugeführt. Die geschilderten Bauteile können durch eine Schraubverschlußplatte 21, z.B. aus Stahl, in dem Mantel 3 ' zusammengepreßt werden. Die Schraubverschlußplatte 21 1st gegen die tellerförmige Katnodenhälterung 1 durch eine Isolierscheibe 22, beispielsweise aus PVC, elektrisch isoliert. Der beschriebene Prototyp einer Brennerreihe für verschiedene Leistungen ist bei einem Gasdurchsatz von 4 bis 25 l/rain für Leistungen von ca. 1 bis 12 kW geeignet. Bei diesen Leistungen und den angegebenen Abmessungen ist sichergestellt, daß der Lichtbogen die Düse nicht erreicht. Wesentlich ist, daß bei einer Eintauchtiefe einer stiftfÖrmlgen Elektrode bis zu einem Drittel der Brennkanallänge diese in der Größenordnung von etwa zwei bis vier Kanaldurchmessern liegt.

Die Anscnlußrohre' 5 und 20 für ein Kühlmedium wie Wasser können gleichseitig für die Stromzuführung verwendet werden. Um bei höchsten Leistungen einen elektrischen Nebenschluß über das" Kühlmedium zu Vermeiden, müßte destilliertes· Wasser verwendet werden oder für den Brennkanal ein eigener elektrischer Anschluß vorgesehen werden. In der Zeichnung ist der elektrische Anschluß durch die Batterie 23 und den stellbaren;Begrensungswiderstand R wiedergegeben. Die Düse 9 kann im übrigen elektrisch isoliert sein.

Durch entsprechend größer dimensionierte Bauteile kann die Plasmanpriti^pistole nach der Erfindung leicht für höhere Leistungen aust".-werden.. ■.·■:.."' . ' ■·. '

Bei der nach dem Baukaatensystem ausgelegten Plasmaspritzpistole nach der Erfindung ist es jGdorzeiu leicht möglich, schadhaft gewordene Teile auszuwechseln. Das wird vor al] cm auch dadurch ermö-g aioh't",-daß die einzelnen Bauteile durch ein Kühlkanalsyatem versind, das durch Ouinraidi eh tunken in Hingkohltmgen 25 an den f$s^:s"t0i-le-n\= εν/ifichcn äzn ein?tjinoä Bauteiler r.bf;«dichtet ist. BAD ORIGINAL \. ₇ . 009848/0272 Κο/Rd

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Das Ktlhlkanalsystem wird durch Zylindrische Kühlspalte 18, durch eich'in radialer Richtung erstreckende Ringspalte 17 sowie durch axiale Bohrungen 19 gebildet. JLn den Übergangsstellen zwischen den Bauteilen sind Ringverteilungen 24 ausgefräst.

Um aus dem Plasmastrahl 26 kühle Randzonen auszublenden, kann eine Blende 27 über Halterungen 29 an die Plasmaspritzpistole angeschraubt werden. Die Blende 27 kann aus nicht rostendem Stahl gefertigt sein und über einen Kühlkanal 28 durch ein Kühlmittel gekühlt werden.

Das Elektrodenpotential von Kathode und Anode kann ohne wesentliche Nachteile vertauscht werden. Auch Wechselspannung kann an die Elektroden gelegt werden, wenn die Frequenz so hoch ist, daß der Lichtbogen nicht erlischt. Bei allen Stromvorsorgungsarten kann die Plasmaspritzpistole durch vorübergehendes Anlegen von Hochfrequenzspannung an die Elektroden gezündet werden.

In Fig.2 sind die au-seinandergenommenen Bauteile der Plasmaspritzpistole nach Fig.1 perspektivisch dargestellt und mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig.3 ist der Unterdruck P, mit dem das Pulver angesaugt wird, auf der Ordinate in Millimeter Wassersäule abgetragen. Auf der Abszisse ist die Durchflußmenge D in Litern pro Minute angegeben. Die Meßkurve ist für Argon als Arboitsgas aufgenommen. Die Werte wurden an einer Plasmaspritzpistole mit folgenden Daten gemessen: Brennkanal länge 20 mm bei einem Durchmesser von 5. mm. Kathodendurchmesner 4 mm bei einer Eintauchliefe von 4 mm in den Brennkanal. Dia Diine int nil Hchultcrn 6 mm lanp und weial einer: Durchmesser

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von 3 mm auf. Der Plasmakanal ist 10 ram lang bei einem Durchmesser von-4 mm. Aus dem Diagramm nach.Fig.3 geht die Selbststeuerung der Plasmaspritzpistole deutlich hervor. ' ·

In Fig.4 ist der Unterdruck P an der Pulveransaugleitung_Twieder^: in Millimeter Wassersäule auf der Ordinate abgetragen, und auf der Abszisse ist die vom lichtbogen aufgenommene Leistung N in kW Stunden angegeben. Die gestrichelten Kurven beziehen sich auf Argon als Arbeitsgas,und die ausgezogenen Kurven sind für Stickstoff gemessen worden. An den Kurven ist die G-asdurchsatzmenge in Lite.rn pro Minute als Parameter angegeben. Die Meßwerte nach Pig.4 werden mit derselben Plasmaspritzpistole gewonnen, die das Diagramm nach Fig.3 geliefert hat. Aus flg.4 kann man die Xeistungsabhängige Selbststeuerung de a Ängaugdruekea für das Pulver erkennen.

■ Als ArbeitsgaB eignen eich im Prinzip alle Gase, die zu den verwen~ deten Baumaterialien nicht besonders aggressiv sind. Da einatomige Gase durch Ionisierung weniger Energie aufnehmen können als zweiatomige Gase durch Dissozierung und Ionisierung, eignen sich die einatomigen Edelgase besonders zum Zünden. Die Verwendung von mehratomigen Gasen bietet dagegen den Vorteil, daß durch Rekombination vor dem Werkstück wieder Energie in Form von Wärme frei wird. Als besonders geeignet haben sich dabei Stickstoff—Argon-Gemische in allen Mischungsverhältnissen erwiesen. Argon-Wasserstoff-Gemische bis zu maximal 20$ Wasserstoff lassen sich leicht zünden und reichen für nicht; zu stark v/ärmelel tondo Werkstoffe aus.

Durch Zusatzeinrichtungen oder geringfügige Abänderungen erschlieap.en el* der Flaßraaspritr.piiitcjle nach der Erfindung wei tero Anwen- te, Su können Plattiaaatrcimun^en bzv/. Gasströmungen mit

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Überschallgeschwindigkeit erreicht werden, wenn dem Plasmakanal eine Lavaldüse nachgeschaltet wird. Statt durch die Pulveransaugleitung Pulver ansaugen zu lassen, kann man auch über diesen Ansaugkanal ein weiteres Gas zugeben. Durch geeignete Gasmischungen kann man somit,unabhängig von der Brenncharakteristik des Lichtbogens, jede gewünschte Temperatur innerhalb eines weiten Bereiches einstellen. Da ein über den Ansaigkan'al 14 angesäugtes Gas in heißes Plasma gegeben wird, das man durch eine nachgeschaltete Lavaldüae rasch abkühlen kann, eignet sich die Plasmaspritzpistole nach dor Erfindung auch zur Durchführung chemischer Reaktionen.

Ohne irgendwelche Susntzschaltungon eignet sich die Plasmaspritzpistole gemäß der Erfindung auch zum Schneiden von Werkstoffen* die schlechte Wärmeleiter sind. Der Pulveransaugkanal kann dann verschlossen werden· Bei offenem Pulveransaugkanal kann man ein korrodierendes Gas oder in anderen Fällen ein Schutzgas zugeben.

Soll die Plasmaspritzpistole ein Pulver aus einem Behälter entnehmen, der einige Meter von der Arbeitsstelle entfernt steht, so kann man zum Ausgleich für die Strömungsverluste in der Ansaugleitung den Behälter unter Überdruck setzen. Die .Vorteile der erfindungagemäßen Plasmaspritzpistole bleiben dadurch voll erhalten, da das Pulver nach wie vor angesaugt wird} die Druckdifferenz wird lediglich der verlängerten Ansaugleitung angepaßt.

9 Patentansprüche

4 Figuren

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Claims

PLA 64/1584 Patentansprüche

1. Plasmaspritzplstolä'init gleichmäßiger Pulver zuführung, bei der das in einer Lichtbogenstrecke gebildete Plasma durch eins im Brennkanal angeordnete Düse tritt, hinter der ein Pulveransaugkaiial mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse außerhalb der Lichtbogenstrecke angeordnet ist* ■

2. Plasmaspritzpiatol.e nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine stiftfönaige Kathode in einem anodisch geschalteten zylindrischen Brennkanal mit einer Länge in der Größenordnung von etwa zwei bis vier Kanaldurchmessern nicht weiter als bis auf ein Drittel der Brennkanallänge eintaucht, und daß am Brennkanalaustritt eine Düse mit einer Pulveransaugleitung angeordnet ist. ' ;

3. Plasmafepritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzelohnet, daß sie in einem, im wesentlichen zylindrischen Mantel (3) nach Baukastensystem zusammengesetzt ist aus einer tellerförmigen Katliodönhalterung (1) mit einer zentrisch angesetzten stiftförmißen Kathode (2)« einem elektrisch isolierenden Ring (6), einem anodisch geschalteten Brennkanal (8), in dcndie Kathode eintaucht.und in dom eine Düs*e (9) cin^esotst ist, v/obei der

^.Brennkanal von einem Kühlringkörpcr (10) ummantelt wird, sowie aus G-inem'Plasmakahalringkörpc.r-('16) mil. einer Fu]?oransaug-

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4. Plasmaspritzpistole nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch ge~

• kennzeichnet, daß die Bauteile lediglich mittels einer Schraubversohlußplatte (21) und einer Isolierseheibe (22) im Mantel (3) zusammengepreßt sind.

5. Plasmaspritzpistole nach Anspruch 1* gekennzeichnet durch einen am inneren Kanalumfang offenen Ansaugririg für die Pulverzufuhr.

6. Plasmaspritzpistole nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmakanal auf Hochglanz poliert ist. ,

7. Plasmaapritzpistole nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasraäkanal au3 Kupfer besteht und verchromt oder mit einer ETickelschicht überzogen ist,

8. Plasmaspritzpistole nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmakanal aus Molybdän oder Wolfram gefertigt ist.

9. Plasmaspritzpistole nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch"gekennzeichnet, daß an der Austrittsöffnung des Plasmakanals eine Blende zum Ausblenden kühler Randbereiche angeordnet ist.

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