DE1940040C - Wirbelstabilisierter Lichtbogen-Plasmabrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen wirbelstabilisierten Lichtbogen-Plasmabrenner mit einem zylindrischen Gehäuse, mit einer am einen Ende des Gehäuses ausgebildeten Düse, mit einem Kathodenhalier, der eine koaxial zur Düse angeordnete und von ihr beabstandete Kathode halten und elektrisch isoliert am anderen Ende des Gehäuses befestigt ist, mit einer Einrichtung zur tangentialen Zufuhr von Arbeitsgas in den Raum zwischen der Düse und der Kathode, mit einer weiteren Einrichtung zur tangentialen Zufuhr von Schutzgas in den Raum, der zwischen der Kathode und dem Einströmgebiet für das Arbeitsgas liegt, und mit einer Einrichtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung zur Erzeugung einer Bogenentladung zwischen der Kathode und der Düse oder einem elektrischen Leiter vor der Düse.

Plasmastrahfen werden in großem Umfang in den verschiedensten Gebieten der Technik verwendet, t. B. zum Schmelzschneiden und -schweißen von verschiedenen Werkstücken, zum Beschichten von metallischem oder keramischem Werkstorf durch Sprühen, für chemische Reaktionen, als Licht- und Wärmequelle.

Die für diese Zwecke verwendeten Plasmastrahlen haben eine verhältnismäßig große Wärmekapazität, Und die Elektroden im Brenner zur Erzeugung eines derartigen Plas;.iastrahls sind einer sehr hohen Temperatur während des Betriebs a-'sgesetzt. Insbesondere 8m Bocenbrennfleck der Kathode und in dessen Nähe tritt nicht selten eine Tempe¹ itur von mehr als 1000' C auf.

Um die Oxydation der Elektroden zu verhindern, Werden oft nicht oxydierbare Gase wie Argon, StickttofT. Wasserstoff od. dgl. als Arbeitsgas zur Erzeugung eines Plasmastrahls verwendet. Diese nicht oxydierbaren Gase sind jedoch im allgemeinen sehr teuer, so daß dieses Vorgehen unwirtschaftlich ist. Insbesondere, wenn der erzeugte Plasmastrahl zum Schmelzschneiden und -schweißen verwendet wird, da dabei viel Arbeitsgas verbraucht wird.

Aus diesem Grund sind in jüngerer Zeit Versuche unternommen worden, ein oxydierbares Gas wie Luft t)d. dgl. als Arbeitsgas zu benutzen. Es ist insbesondere einerseits bekanntgeworden, die Elektroden, vor lillem die Kathoden, aus einem Werkstoff herzustellen, der auch bei hohen Temperaturen sehr oxydationsfest Ist. und andererseits eine kleine Menge inerten Gases JiIs Schutzgas zu verwenden, um die Kathoden-Obevfläche abzuschirmen und dadurch die Kathode Vor dem Arbeitsgas zu schützen, das Luft oder ein (indcies aktives Gas enthält. Letzterer bekannter Brenner (der im wesentlichen mit dem in der französischen Patentschrift 1 301 152 beschriebenen übereinstimmt) soll an Hand von F i g. 1 c'er Zeichnung näher erläutert werden.

Beim bekannten Brenner wird Strom von einer Gleichstromquelle 10 über eine Stromzuleitung 11 einer Kathode 12 zugeführt. Von der Kathode 12 emittierte Elektronen treffen nach Durchlaufen eines Kanals 23 auf die Innenwand eines Kanals 24, der in einer Anode 13 ausgebildet ist. Die Anode 13 ist mit der Stromquelle über eine Stromzuleitung 14 verbunden, um den Stromkreis zu schließen. Die Kathode 12 ist durch einen Haller 15 getragen, der an einem nichtleitenden Gehäuse 16 durch Schrauben befestigt ist. Zwischen der Kathode 12 und einer Düse 17 beendet sich ein Dislanzstück 18 aus einem wärmefrsten Oxyd. Die Düse 17 ist während des Betriebs des Brenners elektrisch isoliert, außerdem weist sie den bereits beschriebenen Kanal 23 auf. Das Mstanzstück 18 hat einen durchgehenden Stufenkanal 25. Das der Kathode 12 zugewandte Ende des Kanals 25 hat einen kleineren Durchmesser, wäh.end das in den Kanal 23 mündende andere Ende dun größeren Durchmesser aufweist. Gaseinlaßrohre 29 und 30 zur Zufuhr unterschiedlicher Gase sind am Gehäuse 16 an dessen Hinterende angebracht, und Gaseinlaßschlitze 26 und 27_: die mit den Gaseinlaßrc'.iren 29 bzw. 30 verbunden sind, dienen zum Einleiten der verschiedenen Gase in den Stufenkanal 25. Gemäß Fig. 2, die einen Querschnitt entlang Linie H-II von Fig. 1 darstellt, sind die Gaseinlaßschliize 26 tangential zum Umfang der Kathodenfläche 20 geformt und münden in den engeren Abschnitt des Kanals 25 in der mit der Kathodenendfläche 20 zusammenfallenden Ebene. Die Gaseinlaßschlitze 27 verlaufen ähnlich tangential zum Umfang des Kanals 25, münden aber in den weiteren Abschnitt des Kanals 25.

Bei dem eben beschriebenen bekannten Plasmabrenner wird ei;) inertes Gas wie Argon od. dgl. dem Gaseinlaßrohr 29 und den Gaseinlaßschlitzen~26 an

as der Endfläche der Kathode zugeführt. Dieses inerte Gas bildet eine sehr schnelle helikale (schraubenlinienförmige) Strömung über die Kathodenendfläche, so daß das inerte Gas als Schutzgas für die Kathodenendfläche wirkt.

Ein aktives oder Arbeitsgas wie Luft od. dgl. wird durch das andere Gaseinlaßrohr 30 zugeführt und über die Gaseinlaßschlitze in den Kanal 25 eingeleitet, wo das Arbeitsgas eine helikale Strömung in der gleichen Richtung wie die Strömung des Schutzgases

bildet, und das Arbeits- und das Schutzgas werden im Kanal 23 in der Düse durcheinandergemischt, um durch die Öffnung am Vorderende des Brenners auszutreten.

Bei einem derartigen bekann'en Plasmabrenner hat das Arbeitsgas, das eine start; helikale Strömung bildet, einen niedrigen Druck in seiner Achsenmitte, und dieser Nicderdruckbereich ermöglicht leicht das Zünden einer Bogenentladung durch sich, ebenso wie er die Beschädigung der Innenwand des Brenners verringert. Kühles Schutzgas wird ständig durch die Einlaßschlitze 26 zur Endfläche 20 der Kathode während des Betriebs geblasen und hindert in gewissem Umfang das Arbeitsgas daran, zur Kathodenendfläche 20 vorzudringen. Das hat den großen Vorteil, daß die Küthodenendfläche durch einen relativ kleinen Durchsatz von Schutzgas wirksam geschützt werden kann.

Trotzdem ist in einem derartigen bekannten Plasmabrenner die Unterbindung der Strömung des Arbeitsgases zur FJcktroncnemissionsoberflächc aer Kathode oder die Stabilisierung der Bogenentladung nich! ausreichend, um den Brenner genügend lange zu betreiben. Außerdem ist der Durchsatz des teuren inerten Gar.es, das als Schutzgas erf.irderlich ist. verhältnismäßig groß.

Ähnliche Probleme traten bei einem anderen bekannten Plasmabrenner der eingangs genannten Art (v['!. französische Patentschrift I 225 906) auf, bei dem das Schutzgas iinmit.clbar vor der Kathndcnspitze in einen Ringkanal zwischen der Kathode und einer da/u koaxialen Buchse geführt wird, wobei an der Kathodenspitze auch das Arbeitsgas vorheiströmt. \\ isi daher Aufsähe der Erfindung, denn tu:'. ^!i

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kannte Plasmabrenner, die ein aktives Gas wie Luft od. dgl. als Arbeitsgas verwenden, so zu verbessern, daß die Kathode vor dem Arbeitsgas durch einen wesentlich kleineren Durchsatz von Schutzgas als bisher geschützt wird bzw. bei unverändertem Durt'isatz die Abtragung der Emissionsoberfläche der Kathode wesentlich verlangsamt ist.

Ein Plasmabrenner der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenhalter an dem der Düse gegenüberliegenden Ende eine Aussparung aufweist, deren Bodenfiäche mit der Elektronenemissionsoberfläche der in den Kathodenhalter eingebetteten Kathode fluchtet, daß Schutzgaseinlaßschlitze in azimutalen Abständen in der die Aussparung begrenzenden Wand angeordnet sind und daß der Durchmesser der Aussparung an der der Düse zugewandten Stirnseite kleiner ist als in der Ebene, in der die Scl.utzgaseinlaßschlitze liegen.

Praktische Erprobungen haben ergeoen, daß der Plasmabrenner nach der Erfindung gegenüber dem in F i g. 1 abgebildeten bekannten bei gleichem Durchsatz von Schutzgas eine sechsmal geringere Abtragung der Emissionsoberfläche der Kathode durch das Arbeitsgas zeigt.

Es ist zweckmäßig, daß die Schutzgaseinlaßschütze näher zu dem düsenseitigen Ende der Aussparung als zum kathodenseitigen Ende angeordnet sind.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung naher erläutert werden. Es zeigt

Fig. I einen Längsschnitt durch einen bekannten Plasmabrenner,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang Linie II-Il von Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Plasmabrenners,

Fig. 4 einen Querschnitt entlang Linie IV-IV von Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt entlang Linie V-V von F i g. 3,

F i g. 6 bis 8 einen Längsschnitt durch verschiedene abgewandelte Ausführungsbeispicle der Kathodenhalterung,

F i g. 9 eine Fotografie eines Längsabschnitts der Kathodenspitze und ihres benachbarten Bereichs zur Hrläuteiung des Gr.ides des Verbrauchs der Kathodenspitze während des Betriebs des Plasmabrenners, Fig. 10 eine ähnliche Fotografie zur Erläuterung des Grades des Verbrauchs der Kathodenspitze während des Betriebs des bekannten Plasmabrenners,

Fig. 11 vergleichend die Kurven des Verbrauchs der Kathodenspitze im Plasmabrenner gemäß der Erfindung und im bekannten Plasmabrenner und

Fig. 12 eine Tcilansicht, im Längsschnitt, des Vorderendes des Brenners gemäß einem anderen Λ usf ührungsbeispiel.

Fig. 1 und 2, die den bekannten Brenner zeigen, sind bereits oben erklärt worden.

In Fig. 3 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Plasmabrenner« abgebildet. Der Plasmabrenner hat ein Gehäuse 32 mit einer Düse 31 an einem Ende. Im Gehäuse 32 ist fest ein Kathodenhalter 33 mit einem zylindrischen Isolierstück 48 angebracht, das sich zwischen dem Gehäuse 32 und dem Kathodenhaltcr 33 befindet. Am Vorderende des Halters 33 gegenüber der Düse 31 ist eine Aussparung 34 in Form eines Kegelstumpfes vorhanden, dessen Mündungs-''ndc einen k'rincrcn Durchmesser als das entgegengesetzte Bodenende hat. Nach innen zu dei üodenfläche der Aussparung 34 ist eine Kathodenspitze 36 so eingebettet, daß mindestens die Mitte der i'odonfläche der Aussparung eine Elektronenenmsionsfläche 35 bildet. Am Hinterende des Kathodenhalters 33 sind ein Einlaßrohr 37 zur Zufuhr von Schutzgas und ein Einlaß 38 zur Zufuhr von Kühlwasser vorhanden, wobei das Rohr 37 und der Einlaß 38 an einen Schutzgaskanal 39 bzw. einen Kühlwasserkaiial ίο 40 angeschlossen sind, die sich beide im Kathodenhalter 33 befinden. Der Schutzgaskanal 39 hat Schutzgaseinlaßschlitze 41, die in die Aussparung 34 münden. Die Schutzgaseinlaßschlitze 41 sind so geformt, daß sie tangential zur Seitenwand der Aussparung 34 münden und um einen vorbestimmten Abstand vom Boden der Aussparung 34 getrennt sind, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, so daß eine starke helikale Strömung des Schutzgases in der \ussparung 34 sich ausbilden kann, wenn das Schutzgas eingeleitet wird, ao Ein Einlaßrohr 42 zur Einleitung von Arbeitsgas ist an der anderen Oberfläche des Gehäuses 32 vorhanden und mit einem Ringkanal 43 für das Arbeitsgr-,j verbunden, der im Gehäuse 32 im Abstand vom Mündungsende der Aussparung 34 in die Düse 31 ausgebildet ist. Mit dem Ringkanal 43 sind Arbeitsgaseinlaßschlitze 45 verbunden, die in einen Hohlraum 44 im Gehäuse 32 münden. Die Arbeitsgaseinlaßschlitze 45 sind tangential zur inneren Seitenwand des Gehäuses 32 (vgi. F i g. 4), so daß eine helikale Strömung des Arbeitsgases in der gleichen Richtung wie die helikale Strömung des Schutzgases im Hohlraum 44 vor der Aussparung 34 sich bilden kann, wenn das Arbeitsgas in diesen einströmt. In der Wand des Gehäuses 32 befindet sich axial ein anderer Kanal 47, von dem ein Ende mit dem Kühlwasserkanal 40 über einen Schlitz 49 verbunden ist. der sich im zylindrischen Isolierstück 48 befindet. Das andere Ende des Kanals 47 ist mit einem Kühlwasserkreislaufkanal 50 verbunden, der die Innenwand der Düse 31 am Vorderencie dt . Gehäuses 32 umgibt. Ein Kühlwasserauslaßrohr 51, das mit dem Kreislaufkanal 50 verbunden ist, befindet sich außerhalb des Gehäuses 32 an dessen Vorderende.

Wenn der beschriebene Plasmabrenner mit nicht übertragenem Lichtbogen betrieben wird, dient der Kühlwassereinlaß 38 am Hinterende des Kathodcnhalters 33 auch als Anschluß zur Verbindung mit dem negativen Pol einer Stromquelle, während das Kühlwasserauslaßrohr 51 sich am Vorderende auch als Anschluß zur Verbindung mit dem positiven I'ol der Stromquelle dient. Wenn das Kühlwasser durch das Kühlwassersystcm fließt und gleichzeitig dir Kiihlwassereinlaß und die Auslaßrohre an die entsprechenden Pole der Stromquelle angeschlossen sind, wobei das Arbeitsgas durch das Arbeitsgaseinlaßrohr 42 strömt, wird eine Bogenentladung zwischen der Kathode 35 und der Innenfläche dor Düse 31 wie oben beschrieben gezündet, so daß das Arbeitsgas erwärmt, ionisiert und stark konvergiert vird, um einen Piasm.istrahl 52 zu bilden, der aus der Düse 31 tritt.

Wenn der Plasmabrenner mit übertragenem Lichtbogen betrieben wird, wird eine Bogenentladung zwischen einem geeigneten Leiter (nicht abgebildet) an der Frontseite der Düse 31 und der Kathode 35 erzeugt.

Wenn ein aktives Gas wie Luft od. dgl. als das ArbeitFias für diesen Brenner benutzt wird, wird ein

inertes Gas wie Argon in die Aussparung 34 durch die Schutzgaseinlaßschlilze 41 eingeleitet, so daß eine helikale Strömung des Schutzgases in der Aussparung 34 entstehen kann.

Aus der vorangegangenen Beschreibung dürfte ersichtlich sein, daß der Plasmabrenner einen bedeutend wirksameren Schutz der Kathode vor einer Korrosion durch das aktive Gas als der oben beschriebene bekannte Plasmabrenner gewährleistet. Das wird vor

ElektronenemissionsoberflächeSS stört die helikale Strömung des Schutzgases nicht, selbst wenn anfangs eine gewisse Unebenheit der Kathodenspitze 36 vorhanden ist oder später verursacht wird.

Wenn beispielsweise Luft als Arbeitsgas vnd Argon als Schutzgas in dem bekannten Plasmabrenner gemäß F t g. 1 verwendet werden, um einen Plasmastrahl zuerzeugen, ist der Verbrauch der Kathoden-

Das soll noch genauer erläutert werden. Ein Fluidstrom strömt entlang der Wandfläche, die er berührt. Wenn also der Durchmesser der Aussparung an ihrem Mündungsende im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Aussparung an ihrem Abschnitt ist. wo die Schutzgaseinlaßschlitze vorhanden sind, wie beim bekannten Plasmabrenner gemäß Fig. 1. verteilt sich das Schutzgas am Mündungsende der Aussparung in Umfangsrichtung der Endfläche des

allem wegen eines vorbestimmten Abslands zwischen io Kathodenhalters, so daß das Schutzgas nach Verden Schutzgaseinlaßschlitzen 41 erreicht, und die lassen der Aussparung seine Schutzwirkung stark verringert.

Im Gegensatz dazu dient der kleinere Durchmesser der Aussparung an deren Mündungsende zur Verringerung der Verteilung des Schutzgases in Umfangs richtung tier Endfläche des Kathoden halters und erhöht die helikale Strömung des Schutzgases am Mündungsende der Aussparung Das ermöglicht eine größere Konvergenz des Schutzgases und eine Fixie-

spitze so. daß die starke helikale Strömung des Ar- «> rung des Bogenbrennflecks auf eine vorbestimmte beitsgase* und des Schutzgases den Bogenbrennfleck Stelle auf der Elektronenemissionsoberfläche der im wesentlichen in der Mitte der Elektronenemissions- Kathode. %m eine sehr stabile Entladung zu ergeben, oberfläche halten, so daß eine starke Abtragung in Ferner wird durch die erhöhte helikale Strömung des diesem Abschnitt der Elektronenemissionsoberfliche Schutzgases das Auftreffen des aktiven Gases auf die erfolgt, der dem Brennfleck ausgesetzt ist, und eine »s Elektrodenemissionsoberfläche der Kathode stark Ausbauchung um den abgetragenen Bereich herum verringert, was auch sehr zum Schutz der Kathode entsteht. " beiträgt.

Wenn das Schutzgas so eingeleitet wird, daß es die An Hand von F i g. 6 bis 8 sollen jetzt im Längs-

Endfläche der Kathode berührt, wie es beim bekann- schnitt verschiedene Ausführungsformen des Vorderten Brenner der Fall ist. stören der abgetragene Be- 3« endes des Kathodenhalters erläutert werden, reich und die Ausbauchung, die wie eben beschrie- Bei dem in F i g. 3 abgebildeten Ausfühningsbei-

ben in der Elektronenemissionsoberfläche erzeugt spiel hat die Aussparung 34 am Vorderende des werden. Mark die helikale Strömung des Schutzgases, Kathodenhalters die Form eines Kegelstumpfes, desdas seinerseits den Bogenbrennfleck zu einer ständi- sen Durchmesser linear vom Boden zum Mündungsgen Bewegung auf der Elektronenemissionsobernäche 35 ende abnimmt, die Aussparung 34 kann jedoch auch der Kathode veranlaßt. Diese ständige Bewegung des einen anderen Verlauf annehmen. Bogenbrennflecks führt ihrerseits zu einer Verstär- Gemäß F i g. 6 und 7 kann die Aussparung 34 eine

kung der Abtragung und der Ausbauchung an der Seitenwand 53 haben, die nach innen oder außen ge-Elektronenemissionsoberfläche, so daß eine größere krümmt ist. Wahlweise kann die Aussparung 34 ge-Störung der helikalen Strömung des Schutzgases die 4° maß Fig 8 ein MUndungsende mit dem gleichen Folge ist. wodurch das inerte Gas stärker auf die Durchmesser wie das entgegengesetzte Ende haben. Elektronenemissionsoberfläche trifft. Daher unterliegt wobei aber am Mündungsende eine Lochplatte 54 bedie Kathode einem starken Verbrauch durch das festigt ist, die in der Mitte ein enges Loch hat. Diese inerte Gas. wahrweisen Ausfuhrungsfonnen der Ausspar-ng

Im Gegensatz dazu wird beim Plasmabrenner von 45 haben im wesentlichen die gleiche Funktion wie im F i g. 3 durch die Ausbildung eines Raums zwischen Ausführungsbeispiel von Fi g, 3. der EleVtronenemissionsoberfläche der Kathode und Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt durch das Norderden Schutzgaseinlaßschlitzen im wesentlichen ver- ende des in dem beanspruchten Plasmabrenner vermieden, daß die helikale Strömung des Schutzgases wendeten Kathodenhalters, während Fig. 10 eine gestört wird, selbst wenn anfangs eine gewisse Ab- 5° ähnliche Ansicht des Vorderendes des bekannten tragung und eine Ausbauchung vorhanden sind oder Plasmabrenners darstellt: beide Figuren dienen rur

später in der Elektronenemissionsoberfläche der Kathode ausgebildet werden, so daß die Gefahr einer Vergrößerung der Abtragung und der Ausbauchung

in der Elektronenemissionsoberfläche wie beim be- 55

kannten Plasmabrenner äußerst klein ist Auch die Gefahr, daß das inerte Gas auf die Elektronenemissionsobernäche der Kathode gelangt wird beträchtlich verringert.

Die zweite Ursache für den außerordentlich guten 6o Bogenstrotn (A) . . Schutz der Kathode durch die beschriebene Ausbil dung liegt darin beeründet. daß der kleinere Durchmesser der Aussparung 34 an deren Mündungsende
im Vergleich zum Durchmesser der Aussparung 34
an :hrem Abschnitt mit de- Schutzgaseinlaßschlitzen 65
eine wirksam sre Konvergenz des Schutzgases als beim
bekannte- Plasmabrenner ermöglicht, was zu einer

g Erläuterang des Verbrauchs der Kathode.

Die Betriebswerte für die zugehörigen Plasmabrenner sind in folgender Tabelle angegeben.

Brencir g der Erfindung (Tig. 91

Schutzgas (L min) .
Arbeitsgas (L min)
Betriebsdauer (h) .

300
N.: 7

Luft: 63
12

Bflanntrr Brennet

300
Ar 14 I uft 54

er: S:

g der Bogenentladung fuhrt.

Der für jede Kathodenspitze verwendete Werkstoff war Wolfram mit einem Gehalt %on 2^S 1 Τγί·>γμ!γπ

15 g

und beide Brenner halten bis juf das in F ι g. ¹J und IO abgebildet-: Voiderende des Kathodenhalters den gleichen Aufbau.

Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, daß beim Brenner gemäß der Hrfindung StiekstolT als Schutzgas eiwendet wurde, dessen Durchllußmenge halb so ¹J.oß wie die des bekannten Brenners war. während die Durchllußmenge von Luft als Arbeitsgas Kl" n fröücr als beim bekannten Bren'ier war. Trotz dcr-Irtiger ungünstiger Arbeitsbedingungen beim Brenner

tcmäß der Hrlindung im Vergleich zum bekannten Irenner war der Verbrauch der Kathodenspitze nach 12 Stunden Betriebsdauer beim Brenner gemäß der l.rf'mdung (Fig. ¹I) bedeutend kleiner als beim belannten Brenner (F i g. 10).

!•"ig. 1 I zeigt die Abhängigkeit des Verbrauchs der kathode von der Belrichszeit für die Brenner von Ι^Λΐ g. ¹J (gemäß der Hrfindung) und F i g. 1 (bekannter !trenner), wobei erslere Abhängigkeit durch eine kurve A und letztere durch eine Kurve Ii dargestellt »o Ist.

Die Betriebsbedingungen fin jeden Brenner waicn: Schutzgas N, 101 min .Arbeitsgas: Luft 60 1min. llogcnstrom 3(KlA. Wie aus Fig. Il ersichtlich ist. Ist der Verbrauch der Kathodcnspitze beim Plasma- as brenner gemäß der Hrfiiulung ungefähr nur ein Sech-MeI so groß wie der des bekannten Plasmabrenners. Die Lebensdauer des gesamten Brenners hängt im Wesentlichen von der Lebensdauer der Kathode ab. Daher bedeuten diese Zahlenangaben, daß durch die lirfindung die I ebensdaiier des Bronners im wesentlichen im·· das Sechsfache gegenüber den bekannten Brennern erhöht werden kann.

Ferner kann ein lielikaler Wasserstrom entlang der Plasmastrahl geschützt werden, so daß die Lebensdauer der Düse beträchtlich erhöht wird.

2. Der äußere Rand des Plasmastrahls wird s'ark gekühlt, so daß ein stärkerer HinschnürungsefTekt hinsichtlich des Lichtbogens auftritt und damit der l'lasmastrahl eine höhere Hnergiedichte erlangt.

3. Giftiges ΝΟ.,-Gas, das bei der Verwendung von Luft oder einem anderen Fluid, das Sauerstoff und oder Stickstoff enthält, als Arbeitsgas entsteht, kann

ο gut entfernt werden. Sauerstoff oder Stickstoff werden bei Hrhitzung im l'lasmastrahl. wenn dieser die Düse verläßt, mit Stickstoff bzw. SauerstofT in der Atmosphäre umgesetzt, so daß gasförmiges NO entsteht, das weiter zu ΝΟ.,-Gas oxydiert wird. Das so erzeugte gasförmige NO., ist wasserlöslich und kann daher leicht von dem aus der Düse austretenden Wasserstrahl 66 absorbiert werden.

4. Wenn der l'lasmastrahl verwendet wird, um Werkstücke zu zerschneiden oder anderweitig zu bearbeiten, dann wird verhindert, daß die Werkstücke einer sogenannten > Scliulterdefonnalioii' unterliegen, die sonst an der Schnittstelle des Werkstücks auftreten könnte. Wenn ein Plasmastrahl verwende! wird, um ein metallisches Werkstück durch Schmelzen zu zerschneiden, wird der WerksiolT des Werkstücks in der Nähe der Schnittstelle ebenfalls auf eine sehr hohe Temperatur erwärmt, so daß das Metall im Querschnitt so geschmolzen wird, daß eine abgerundete Hndlläche entsteht, was mit ■ Schulterdeformatiotv< bezeichnet wird. Mit den bekannten Plasmabrennern ist diese »Schulterdeformatiou nur sehr schwierig zu verhindern, während diese durch die Wasserströmung, die zusammen mit dem Plasmastrahl (vgl. Fig. 12) auftritt, leicht verhindert werden kann, so

30

Ferner kann ein

Innenfläche der Düse strömen und durch die ölTiumg 35 daß die getrennten Werkstücke eine scharfe Schnitt-

dß d Plthl Hah hb

der Düse so eingeleitet werden, daß der Plasmastrahl ,on einem Wasserlilm umgeben ist. wodurch die Innenwand der Düse durch den Wasserlilm vor einer Beschädigung geschützt wird: daneben treten noch zu erläuternde Vorteile auf.

Fig 12 zeigt schematisch im Längsschnitt die Düse eines AusRihrungsbeispiels des Plasmabrenners gemäß der Hrfindung. bei dem ein lielikaler Wasserstrom entlang der Innenwand der Düse wie oben erwähnt strömt. .

Das Ausführimgsbeispiel von Fig. 1- hat ein Hm-Iaßrohr61. das sich von dem Gehäuse 32 zur F.inlcitun» von Wasser in die Düse nach außen erstreckt, meinen' ringförmigen W a-serkrei-Kmikanal 62 im Gehäuse 32 " der mit dem Wasseremlabrohr 61 über einen Kanal 63 verbunden i<i. und W a-seremlaß- >chlitzc64. die in die Düse 31 tangential zu deren Innenrand münden. .

Im abgebildeten Au-iührungsbci-piel wird Wasser m den KreMaufkanM («2 über da- F.mb.ßrohr 61 gedruckt und dann durcii die I-iiali-chht/c 64 e:ngespeist. um einen helikalcn W a-er-trom ft? 7u_er/eu- -en der in engem Kontakt mit der Innenseite u.-r Düse strömt. Wenn diC-e Wasserströmung den auslaß erreicht, tritt sie m Form emc vergierenden Wasserstrahls 66 Plasmastrnlil 52 au
Die in

fläche haben.

Wie bereits erwähnt wurde, kann dr Plasmabrenner gut viele Stunden lang arbeiten, wobei nur eine kleine Menge inerten oder neutralen Gases wie StiekstolT als Schutzgas verwendet wird, während Luft oder ein anderes aktives Gas als Arbeitsgas dient. Dadurch werden die Kosten für das Arbeitsgas, die bisher die Anwendung von Plasmastrahlen für die Bearbeitung verschiedener Werkstücke odei als Licht- und Wärmequelle verhindert haben, beträchtlich verringert. Auf diese Weise erlaubt die Hrfindung eine stärkere Verwendung von Plasmastrahlen in der Technik.

nach, außen 0-zusammen mit dem

50

55

60

Fig. 12 gezeigte Aii-fuhrung hat

'Toie Innenfläche der Du-e kann wirksam Beeinträchtigung der Bogenentladung ge.Mihlt ilen, und die Dii-e kann vor einer chemischen Beschädigung

folgende

thermischen

oiine vv er- oder

65

durch den -ehr heißen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Wirbelstabilisierter Lichtbogjii-P! -'-labfennor. mit einem zylindrischen Gehäuse, mit ein-.:¹ am einen linde des Gehäuses ausgebildeten Dii-e mit einem Kathodenhalter, der cmc koaxial zu Düse angeordnete und von ihr beahstandeii Kathode halten und elektrisch isoliert am andc ren F.nde des Gehäuse- befestigt ist. mit eine Hinrichtung zur tangeniialen Zufuhr von Arbeit* gas in den Raum zwischen der Düse und de Kathode, mit einer weiteren Hinrichtung ?ur tan gentialen Zufuhr von Schutzga- in den Raum der zwi-elien der Kathode und dem Hinström gebiet für das Arbeitsgas liegt, und mit einer Hin richtung zum Anlegen einer i-lc'r.;'":-ehen Span nung zur Urzeugung einer Bogenentladung zwi seilen der Kathode und der Düse oder einem elek trischen Leiter vor der Düse, dadurch ge k e η η 7 e i c h net. daß der Kathodenhalter (33

an dem der Düse (31) gegenüberliegenden Ende eine Aussparung (34) aufweist, deren Bodenfläche mit dd IZIektronenemissionsoberfiäche (35) der in den Kathodenhalter (33) eingebetteten Kathode (3h) fluchtet, daß Schutzgaseinlaßschlitze (41) in azimutalen Abständen in der die Aussparung begrenzenden Wand angeordnet sind und daß der Durchmesser der Aussparung (34) an der der Düse (31) zugewandten Stirnseite kleiner ist als in der Ebene, in der die Schutzgaseinlaßschlitze (41) liegen.

2. Plasmabrenner nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgaseinlaßschlitze (41) näher zu dem düsenseitigen Ende der Aussparung als zum kathodenseitigen Ende angeordnet sind.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (34) so verjüngt ist, daß ihr Durchmesser kontinuier-

lieh von eier Bodenflächc zum Mündungsende abnimmt.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand der Aussparung (34) eine Kegelfläche ist.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand der Aus^pa rung (34) ein Rotationshyperboloid ist.

(S. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Aussparung (34) zylindrisch ist und durch eine Platte (54) mn einer öffnung abgeschlossen ist. deren Durchmesser kleiner als der der Aussparung ist.

7. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche I bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (61. 63, 62) zur Erzeugung einer helikalen Wasserströmung (65) an der Innenfläche der Düse (31) zwischen der Auslaßöffnung der Düse und den Arbeitsgaseinlaßschlitzen (45).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen