DE1764116C - Lichtbogen Plasmastrahlgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogen- erlaubt, ein oxydierendes Gas wie Luft als Arbeitsgas Plasmastrahlgenerator mit einer aus Wolfram oder benutzen zu können. ·

siner Wolframlegierung bestehenden Kathode, einem Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch go. Kathoclenhnlter, einer die Kathode und ihren Halter löst, daß die Kathode mit einer Wolframsilizidkonzentrisch umgebenden und eine IDUsenöffnung 5 schicht überzogen ist. _ .,.·,..,

vor der Elektrode bildenden Düse, einer Einrichtung Die gemäß der Erfindung mit Wolframsilizid über-

zur Einführung von Arbeitsgas in die DUsonöffnung . zogene Kathode wird z. B. dadurch hergestellt, daß und einer Einrichtung zum Herbeiführen einer man gasförmige Siliziumverbindungen mit einem in Lichtbogen-Entladung zwischen der Kathode und die endgültige Form gebrachten Wolfram-Kathodender Düse oder einer anderen Elektrode von der io material bei hoher Temperatur reagieren laßt und so Düse, eine Wolframsilizidschicht auf der Kathodenober-

Es sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung fläche erzeugt. Auch ein anderes Verfahren, bei dem einer Plasmallamme bekannt. Darunter ist ein Ver- eine Wolframsilizidschicht durch Plasmallammcnfahren zum Auslösen einer Bogen- oder Glimment- aufsprühen aufgebracht wird, führt zu diesem ladung und zum Einführen von Arbeitsgas während 15 Ziel. , .

der Entladung zur Erzeugung einer besonders hoch- Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung

energetischen Plasmaflamme geeignet. Die in dieser veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher er-Weise gewonnene Plasmaflamme hat einen weiten läutert. Es zeigt

Anwendungsbereich bei der Bearbeitung verschie- Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine

dener Materialien (Schweißen, Spritzen, Schneiden ao Kathode und eine Düse eines Lichtbogen-Plasma usw.) und als vielseitige Heizquelle. Strahlgenerators mit übertragenem Lichtbogen gemall

Zur Erzeugung einer Plasmaflamme unter Aus- einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
nutzung einer Bogenentladung wird eine Brenner- F i g. 2 schematisch einen Längsschnitt durch eine

entladungseinrichtung verwendet, die aus einer Kathode und eine Düse eines Lichtbogen-Plasma-Kathude, einer die Kathode umgebenden Düse zur as Strahlgenerators mit nicht übertragenem Lichtbogen Abgabe eines Arbeitsgases und einer Energiequelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erzürn Auslösen einer Entladung zwischen der Kathode findung,

und der Düse oder den anderen Teilen besteht. Ein F i g. 3 schematisch einen Längsschnitt durch einen

Verfahren /ur Erzeugung einer Plasmaflamme durch Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator gemäß einem wei-Auslösen einer Bogenentladung zwischen der Ka- 30 tsren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
thode und der Düse und Zuführen eines Arbeitsgases F i g. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Be-

zur Entladungsstelle nennt man ein NichtÜbergangs- ziehung zwischen der Dicke einer Wolframsilizidtypverfahren, während ein Verfahren zur Erzeugung schicht und der Oxydationsgeschwindigkeit,
einer Plasmallamme durch Auslösen einer Entladung In einem Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator nach

zwischen der Kathode und einem zu bearbeitenden 35 Fig. 1 werden die inneren Wandungen einer Düse 2 Teil und Zuführen des Arbeitsgases zur Entladungs- auf einer niedrigeren Temperatur als der einer Elekstelle ein Übergangstypverfahren heißt. trode 1 gumitcri, um eine Entladung zwischen einem

Solche Verfahren zur Erzeugung einer Plasma- Werkstück 6 und der Elektrode 1 auszulösea und flamme, welche eine Bogen- oder Gln*imeniiaila.jg v.-. "' \smuflamme3 zu erzeug mi, ^:;«dem Entladungs-1"MiUtZtMi. haben den Vorteil, α.;'.'. .':·. > ■■■ ::hr 40 gas von einer Kntladungsga"ruf'!^;>i!eitjnp ?um Entiii.wh-...._e,-U..-..-.'Ό· ■-.· ·■'·.· ..;„ .sieht erzielbar ist. ladunpsteü eingespeist wird. Durch Umlauten ein.-.r Indessen steigt die Temperatur der Kathode und der geeigneten Menge von Kühlwasser durch eine Ku';!- Düse ziemlich hoch, und es sind Elektrodenmate- wasserleitung4 kann die Oxydation der inneren Wanrialien mit einer hohen Elektroemissivität, einer düngen der Düse 2 fast völlig hintangehalten werden, guten Wärmeleitfähigkeit und einem hohen Schmelz- 45 Dementsprechend kann in vielen Fällen bei Verwenpunkt erforderlich, weshalb bei dem eingangs ge- dung eines übertragenen Lichtbogens ein oxydierennannten Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator bisher des Arbeitsgas verwendet werden, wenn konzentrisch Wolfram oder thoriertes Wolfram verwendet worden am Entladungspunkt ein Wolframsilizidüberzug 7 auf ist (französische Patentschrift 1 421 353; IEEE- der Kathode vorgesehen ist.

Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-Il, 1964, 50 In einem Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator nach Nr. 1, S. 109 bis 111). Als Arbeitsgas muß dabei Fig. 2 findet die Entladung 8 zwischen der Kathode 1 ein nichtoxydierendes Gas wie Argon, Wasserstoff und der Düse 2 statt. Daher sieht man vorzugsweise oder Stickstoff verwendet werden. einen oxydationsbeständigen Überzug 9, z. B. aus

Ein solches Gas ist jedoch verhältnismäßig teuer, Zirkon- oder Aluminiumoxyd auf den inneren Wan- und die genannten Verfahren sind vom wirtschaft- 55 düngen der Düse 2 vor. In den beiden vorstehend liehen Gesichtspunkt ziemlich unvorteilhaft, wenn beschriebenen Arten von Plasmabrennern kann durch eine große Arbeitsgasmenge gebraucht wird, was der Verwendung z. B. der Düse 2 oder des Werkstücks 6 Fall ist, wenn ein Material mit einer solchen Plasma- als Kathode und der Kathode 1 als Anode in gleicher flamme bearbeitet werden soll. Dementsprechend Weise eine Entladung zwischen diesen ausgelöst wäre es vorzuziehen, wenn man Luft als Arbeitsgas 60 werden.

verwenden könnte. Doch kennt man bis jetzt keine Ein bevorzugtes Beispie! eines solchen Plasma-

Elektrode, die solche oxydationsbeständigen Eigen- Strahlgenerators wird im folgenden beschrieben. Eine schäften aufweist, die beim Einsatz eines hochoxydie- Kathode wird durch Gestaltung eines Endes eines renden Gases ausreichen. Wolframstabes mit 2°/o Thallium zu einer Geschoß-

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, 65 form und Gestaltung des anderen Endes als ebene einen Plasmastrahlgenerator der eingangs genannten Fläche mit einem Vorsprung in der Mitte hergestellt. Art zu schaffen, der eine Kathode mit einer so Die Abmessungen der Kathode liegen in der Größenoftrinnen Oxvdationsgeschwindigkeit aufweist, daß sie Ordnung von 15 mm Länge, 6 mm Durchmesser,

3mm Kurvenradius am vorderen Ende und 3 mm Durchmesser sowie 4 mm Höhe des Vorsprungs,

Die so gestaltete Kathode wird im WasserstoiTgas· •trom von etwa 0,5 1/mki erhitzt. Dann lüßt man Wasserstoff durch flüssiges Siliziumtetrachlorid, welches auf etwa 20° C gehalten wird, mit der Ge- »chwindigkeit von etwa. 0,2 l/inin durchperlen und zur erhitzten Kathode strömen. Wenn Siliziumtetrachioriddampt mit der erhitzten Kathpde zur Reaktion gebracht wird, bildet sich auf der Kathode in etwa 30 Minuten eine Woiframsilizidschicht von etwa 0,3 mm Dicke.

Ein Beispiel eines Plasmastrahlgenerators, bei dem eine solche Kathode verwendet wird, ist in F i g. 3 zu erkennen. Wie man sieht, ist die Kathode 1 auf dem Ende eines zentrisch angeordneten Kathodenhalters 17 montiert, der aus einem Material wie Kupfer besteht, und die Anode 2, die zusätzlich als Düse funktioniert, ist koaxial zur Kathode 1 auf einem zylindrischen Anodenhalter 18 befestigt, der ebenfalls aus einem Material wie Kupfer besteht. Ein ringförmiger elektrischer Isolator 19 ist konzentrisch innerhalb des Anodenhalters 18 in der Weise angebracht, daß er die Kathode 1 umgibt und an das innere Ende der Düse 2 anschließt. Zwischen der Düse 2 und ihrem Halter 18 ist ein Hohlraum 4 gebildet, durch welchen Kühlwasser zirkuliert. Eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlwasser in den Hohlraum 4 und eine Einrichtung zur Abführung des Kühlwassers daraus sind nicht dargestellt. Ein weiterer ringförmiger Isolator 20 ist zwischen dem Kathodenhalter 17 und dem Halter 18 am unteren Teil des Kathodenhalters 17 angeordnet. Lichtbogengas wird durch eine Einlaßöffnung 5 in den Brenner eingeführt. Der Anodenhalter 18 ist mit einem positiven Stromanschluß 22 ζ·τ Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Stroml h

Bei einem tatsächlichen Vergleichsversrch wurde ein Brenner unter Verwendung der beschriebenen Wolframsilizidelektrode 7 zur Erreugung einer f'lasmastrahlflamme unter den Arbeitsbedingungen e'ip-i-. 5t"*ms von 300 Ampere, einer Spanivm'j von I^;')0 VcI-. "i«.! eines Lichtbogengases a<-- a. . '■■']■ schung von Argon mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 l/min und Luft mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 l/min und eines Blcktrodunabstnndes von 7 mm benutzt. Die Oxydationsgeschwindigkeit wai bei diesem Beispiel 0,15 mm/min. Andererseits ergab sich, als eine Plasmallammo

unter den gleichen Bedingungen bei Verwendung einer keine Woiframsilizidschicht aufweisenden Kathode erzeugt wurde, eine Oxydationsgeschwindigkeit von 3,0 mm/min.
Fig, 4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung

ίο zwischen der Dicke einer Woiframsilizidschicht und der Oxydationsgeschwindigkeit zeigt. In dieser Figur erkennt man klar, daß die Oxydationsgeschwindigkeit fast konstant wird, wenn die Dicke der Woiframsilizidschicht 0,1 mm übersteigt.

Mit dem Plasmastrahlgenerator gemäß der Erfindung kann die direkte Berührung zwischen dem oxydierenden Bestandteil im Arbeitsgas' und Wolfram oder einer Wolframlegierung, woraus «ine Kathode besteht, dank einer Woiframsilizidschicht verhindert

ao werden, welche auf den Oberflächen der Elektrode angebracht ist, und die oxydationsbestilndige Qualität der Elektrode läßt sich so steigern.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   as 1. Lichtbogen-Plasmastrahlgcnerator mit einer

   aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehenden Kathode, einem Kathodenhalter, einer die Kathode und ihren Halter konzentrisch umgebenden und eine Düsenöffnung vor der Elek-

   trode bildenden Düse, einer Einrichtung zur Einführung von Arbeitsgas in die Düsenöffnung und einer Einrichtung zum Herbeiführen einer Lichtbogen-Entladung zwischen der Kathode und der Düse oder einer anderen Elektrode vor der Düse, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) mit einer Woiframsilizidschicht (7) überzogen ist

   ?. I ichibogen-Hastnas.tr.ihigeiieiator ti at ti
   spruch ι, dadrs·· t· fccVenav'-ich.iet, da£ uie

   dem Plasma in Kori'u^f tmnn enden Wandu

   der iJi'sc (2) mi; ernea.· 'mcc/Mg ('■') mir chert. C!x^aationsbe>iändigen Mater ■>.?,] hc;!c"'.' .!-J.

   j. Lichtbugoi.-Plasmabuah.gcneiator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Über-

   zug (9) aus Zirkon- oder Aluminiumoxyd besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen