BRPI0719557A2

BRPI0719557A2 - Aparelho e sistema de plasma

Info

Publication number: BRPI0719557A2
Application number: BRPI0719557-5A
Authority: BR
Inventors: Vladimir E Belashchenko; Oleg P Solonenko; Andrey V Smirnov
Original assignee: Vladimir E Belashchenko; Oleg P Solonenko; Andrey V Smirnov
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2014-07-08
Also published as: CN101605663B; JP2010511284A; US20080121624A1; AU2007325292A1; RU2459010C2; WO2008067292A2; KR101438463B1; JP5396608B2; EP2091758B1; EP2091758A4; BRPI0719558A2; MX2009005566A; CN101605625A; AU2007325285A1; CA2670256C; KR20090097895A; MX2009005528A; US7671294B2; RU2009124487A; WO2008067285A2

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO E SISTEMA DE PLASMA".

REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDOS RELACIONADOS

O presente pedido reivindica a prioridade para o Pedido U.S. No.

11/564.080, depositado em 28 de novembro de 2006, cuja revelação é incorporada aqui por referência.

CAMPO

A presente revelação refere-se, de forma geral, a maçaricos a plasma e sistemas de plasma, e mais particularmente refere-se a maçaricos a plasma duplos para tratamento com plasma e pulverização de materiais. ANTECEDENTES

A eficiência e a estabilidade dos sistemas térmicos de plasma para o tratamento com plasma de materiais e pulverização de plasma podem ser afetadas por uma variedade de parâmetros. O estabelecimento apropria15 do de um jato de plasma e a manutenção dos parâmetros de operação do jato de plasma podem ser influenciados, por exemplo, pela capacidade de formar um arco estável tendo uma fixação consistente nos elétrodos. Similarmente, a estabilidade do arco pode também ser uma função da erosão dos elétrodos e/ou a estabilidade de perfilagem do jato do plasma, ou posi20 ção. Mudanças de perfilagem e posição do jato do plasma podem resultar em mudanças nas características do jato de plasma produzido pelo maçarico a plasma. Adicionalmente, a qualidade de um material tratado com plasma ou uma cobertura produzida por um sistema de plasma pode ser afetada por tais mudanças de perfilagem, posição e características do plasma.

Em um aparelho a plasma duplo convencional 100, como mos

trado na figura 1, uma cabeça de catôdo e uma de anôdo 10, 20 são geralmente dispostas em aproximadamente um ângulo de 90 graus em relação uma a outra. Um tubo de alimentação 112, geralmente disposto entre as cabeças, pode suprir um material a ser tratado pelo plasma. Os componentes 30 são geralmente dispostos para propiciar uma zona de processamento confinada 110 na qual o acoplamento dos arcos ocorrerá. A proximidade relativa uma com a outra e o pequeno espaço circundado por elas, freqüentemente cria uma tendência dos arcos desestabilizarem, particularmente em altas voltagens e/ou em baixa taxa de fluxo do gás de plasma. A desestabilização do arco, freqüentemente chamada "centelhação lateral" ocorre quando os arcos preferivelmente se prendem em trajetórias de menor resistência. Ten5 tativas para impedir a centelhação lateral freqüentemente envolvem o uso de gases de coberta, entretanto, essa abordagem tipicamente resulta em um projeto mais complicado, bem como menores temperaturas e entalpias do plasma. A menor temperatura do plasma e entalpia conseqüentemente resultam em eficiência de processo inferior.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Aspectos e vantagens da matéria exposta reivindicada serão evidentes a partir da descrição seguinte das modalidades consistentes com ela, cuja descrição deve ser considerada em conjunto com os desenhos acompanhantes, nos quais:

a figura 1 é uma vista esquemática detalhada de uma modalida

de de um aparelho de plasma duplo inclinado convencional;

a figura 2 é uma ilustração esquemática de um aparelho de plasma duplo;

as figuras 3a-b representam esquematicamente modalidades de uma cabeça de plasma de catôdo e uma cabeça de plasma de anôdo, respectivamente, consistentes com a presente revelação;

a figura 4 é uma vista detalhada de uma modalidade de um canal de plasma incluindo três porções cilíndricas com diâmetros diferentes consistentes com um aspecto da presente revelação;

a figura 5 é uma vista esquemática detalhada de uma modalida

de de um módulo de formação consistente com a presente revelação tendo porções a montante e a jusante de um módulo de formação;

a figura 6 ilustra uma modalidade configurada para entregar um gás de plasma secundário para o canal de plasma;

as figuras 7a-b representam vistas do corte e secional axial e ra

dial de uma disposição para injeção de um gás de plasma secundário consistente com a presente revelação; as figuras 8a-b ilustram vistas de um único maçarico de plasma duplo configurado para injeção axial dos materiais;

as figuras 9a-c ilustram um único maçarico de plasma duplo configurado para injeção radial dos materiais;

a figura 10 é um esquemático de um conjunto de maçarico a

plasma incluindo dois maçaricos a plasma duplos;

as figuras 11 a-b são ilustrações superior e inferior de um conjunto de maçarico a plasma incluindo dois maçaricos a plasma duplos configurados para injeção axial dos materiais; e as figuras 12a-b ilustram a influência das taxas de fluxo dos ga

ses de plasma e corrente na voltagem do arco para maçaricos posicionados em ângulo a 50°.

DESCRIÇÃO

Como uma visão geral, a presente revelação pode proporcionar 15 sistemas de maçarico a plasma duplo, módulos e elementos de sistemas de maçarico a plasma duplo, etc. que podem, em várias modalidades, exibir um ou mais de: janela operacional relativamente ampla dos parâmetros de plasma, jato de plasma mais estável e/ou uniforme e duração mais longa do elétrodo. Adicionalmente, a presente revelação pode proporcionar ferramen20 tas que podem controlar a injeção de um material a ser tratado com plasma ou pulverizado com plasma em um jato de plasma. Aparelhos de plasma duplos podem encontrar ampla aplicação no tratamento com plasma dos materiais, processo de revenir o pó, tratamento de refugo, pulverização com plasma, etc., por causa da eficiência relativamente alta de tais aparelhos.

Um aparelho de plasma duplo consistente com a presente reve

lação pode proporcionar eficiência substancialmente mais alta do tratamento com plasma dos materiais. Em parte, a eficiência mais alta pode ser realizada pelas taxas de fluxo do plasma e velocidades que são relativamente baixas e números de Reynolds relativos que podem ser de cerca de, ou abaixo, 30 de aproximadamente 700-1000. Consistente com tais taxas de fluxo de plasma e velocidades, o tempo de permanência dos materiais na corrente do plasma pode ser suficiente para permitir a utilização eficiente da energia do plasma e a transformação desejável dos materiais durante o tratamento com plasma pode ocorrer com alta eficiência e taxa de produção. Adicionalmente, um aparelho de plasma duplo consistente com a presente revelação pode também reduzir, ou eliminar, a ocorrência da centelhação lateral, que está 5 convencionalmente relacionada à alta voltagem e/ou baixos números de Reynolds.

Com referência à figura 2, um aparelho de plasma duplo 100 pode gerar arco 7 entre a cabeça de plasma do anôdo 20 e a cabeça de plasma do catôdo 10 correspondentemente conectadas aos terminais positivo e 10 negativo de uma fonte de força CC. Como mostrado na figura 2, o eixo geométrico das cabeças de plasma 10 e 20 pode ser disposto em um ângulo α em relação um ao outro, com a convergência dos eixos geométricos provendo a zona de acoplamento das cabeças de plasma 10, 20.

Com referência, primeiro, à figura 3, a presente revelação pode prover geralmente um aparelho de plasma duplo incluindo uma cabeça de plasma do catôdo representada na figura 3a e uma cabeça de plasma do anôdo representada na figura 3b. Como mostrado, as cabeças de plasma do anôdo e catôdo podem ser geralmente de um projeto similar. A diferença principal entre as cabeças de plasma do anôdo e do catôdo pode estar no projeto dos elétrodos. Por exemplo, em uma modalidade particular, uma cabeça de plasma do anôdo pode incluir um anôdo 45a, que pode ser feito de material com uma condutividade relativamente alta. Anôdos exemplares podem incluir cobre ou liga de cobre, com outros materiais adequados e configurações sendo facilmente entendidos. A cabeça de plasma do catôdo pode incluir uma inserção 43 que é inserida em um suporte de catôdo 45b. O suporte de catôdo 45b pode ser feito de material com alta condutividade. Similar ao anôdo, o suporte do catôdo 45b pode ser de cobre ou liga de cobre, etc. O material da inserção 43 pode ser escolhido para proporcionar longa duração da inserção quando usada em conjunto com gases de plasma particulares. Por exemplo, tungstênio "Lanthaneited" ou "Torirated" pode ser material adequado para uso quando nitrogênio ou argônio são usados como gases de plasma, com ou sem hidrogênio ou hélio adicional. Similarmente, inserções de háfnio ou zircônio podem ser materiais adequados nas modalidades usando ar como um gás de plasma. Em outras modalidades, o anôdo pode ser de um projeto similar ao catôdo e pode conter tungstênio ou háfnio ou outras inserções que podem aumentar a estabilidade do arco e pode pro5 Iongar a duração do anôdo.

Cabeças de plasma podem ser geralmente formadas por um módulo de elétrodo 99 e conjunto de formação de plasma 97. Um módulo do elétrodo 99 pode incluir elementos primários, tais como um alojamento do elétrodo 23, um canal de alimentação de gás de plasma primário 25 tendo 10 encaixe de entrada 27, uma porca de rotação 47 formando um componente de rotação de um gás do plasma e um elétrodo resfriado a água 45a ou 45b. Vários componentes adicionais e/ou substitutos podem ser facilmente entendidos e vantajosamente utilizados em conjunto com um módulo de elétrodo da presente revelação.

O conjunto de formação do plasma 97 pode incluir elementos

principais, tais como um alojamento 11, um módulo de formação 30 tendo seção a montante 39 e seção de saída 37, um canal de água de resfriamento 13 conectado com à entrada de água 15, anel de isolamento 35. O módulo de formação 30 pode formar geralmente um canal de plasma 32.

Nas cabeças de plasma exemplares ilustradas, o gás de plasma

primário é alimentado através de um encaixe de entrada 27 para o canal 25 que está localizado em um isolador 51. A seguir, o gás de plasma é também direcionado através de um conjunto de fendas ou furos feitos na porca de rotação 47 e para dentro de um canal de plasma 32 através de uma fenda 25 44 entre o anôdo 45a ou suporte do catôdo 45b, com o catôdo 43 montado nele, e a seção a montante 39 do módulo de formação 30. Várias outras configurações podem ser utilizadas alternada, ou adicionalmente, para proporcionar o gás de plasma primário para o canal de plasma 32.

O canal de plasma 32 consistente com a presente revelação pode facilitar unicamente o estabelecimento e pode manter um arco controlado exibindo tendência reduzida, ou nenhuma tendência, para a centelhação lateral em taxas de fluxo de gás de plasma primário relativamente baixas, por exemplo, que podem exibir número de Reynolds na faixa de aproximadamente 800 a 1000, e mais particularmente exibir número de Reynolds na faixa abaixo de 700.

O canal de plasma 32 pode incluir três porções geralmente cilín

dricas, como ilustrado em mais detalhes na figura 4. A porção a montante 38 do canal de plasma 32 pode ser disposta adjacente aos elétrodos, por exemplo, a inserção do catôdo 43 e o anôdo 45b e pode ter diâmetro D1 e comprimento L1. A porção média 40 do canal de plasma 32 pode ter diâmetro D2 > D1 e comprimento L2. A porção de saída 42 do canal de plasma 32 10 pode ter diâmetro D3 > D2 e comprimento L3.

A porção cilíndrica a montante 38 pode gerar velocidade otimizada de um jato de plasma provendo e expansão confiável, ou propagação, do jato de plasma para a zona de acoplamento 12 representada na figura 2. O diâmetro D1 pode ser maior do que o diâmetro do catôdo D0. De forma 15 geral, o valor ótimo do diâmetro D1 depende da taxa de fluxo do gás de plasma e corrente de arco. Por exemplo, em uma modalidade, D1 pode ficar geralmente na faixa entre aproximadamente 4,5 - 5,5 mm se nitrogênio é usado como um gás de plasma, com a taxa de fluxo do gás de plasma na faixa entre aproximadamente 0,3-0,6 g/s e a corrente do arco na faixa entre 20 aproximadamente 200-400 A. O diâmetro D1 da primeira porção pode ser geralmente aumentado nas modalidades utilizando uma taxa de fluxo de gás de plasma mais alta e/ou corrente de arco mais alta.

O comprimento (L1) da primeira porção pode ser geralmente selecionado longo o suficiente para permitir que um jato de plasma estável seja formado. Entretanto, uma probabilidade crescente de centelhação lateral dentro da primeira porção pode ser experimentada em L1>2 D1. Experimentalmente, um valor desejável da razão L1/D1 pode ser descrito como segue.

0,5 < L1/D1 <2 (1)

A razão mais preferível entre L1 e D1 pode ser descrita como

segue.

0,5 < L1/D1 < 1,5 (1a)

A segunda 40 e a terceira 42 porções do canal de plasma 32 podem permitir aumentar o nível da ionização do gás de plasma dentro do canal, bem como formar mais de um jato de plasma proporcionando velocidade desejável. Os diâmetros das ditas 40 segunda e 42 terceira porções do canal de plasma 32 podem ser geralmente caracterizados pela relação de D3 > D2 5 > D1. A relação precedente dos diâmetros pode ajudar a evitar mais centelhação lateral dentro das ditas segunda 40 e terceira 42 porções do canal de plasma 32, bem como diminuir a voltagem de operação.

As características adicionais da segunda porção podem ser descritas como segue.

4 mm > D2-D1 > 2 mm (2)

2 > D2/D1 >1,2 (3)

As características adicionais da terceira porção podem ser descritas como segue.

6 mm > D3-D2 > 3,5 mm (4)

2 > L3/(D3-D2) > 1 (5)

Várias modificações e variações nas geometrias precedentes fornecidas pelas relações acima e características podem também proporcionar, em algumas modalidades, desempenho desejável. Nas modalidades ilustradas nas figuras 3 e 4, o canal de plasma 32 exibe um perfil escalonado 20 entre as três porções geralmente cilíndricas. Além da configuração escalonada, várias opções diferentes com relação à geometria do canal de plasma conectando as três porções cilíndricas podem também ser adequadamente utilizadas. Por exemplo, transições cônicas ou similares entre as porções cilíndricas, bem como bordas arredondadas dos degraus, podem ser tam25 bém usadas para a mesma finalidade.

Um aparelho de plasma duplo tendo canais de plasma consistentes com as relações (1)-(5) acima pode proporcionar uma operação estável com centelhação lateral reduzida, ou eliminada, através de uma faixa relativamente ampla de parâmetros de operação. Entretanto, em alguns casos, a 30 "centelhação lateral" pode ainda ocorrer quando a taxa de fluxo do gás de plasma e a velocidade do plasma são reduzidas ainda mais. Por exemplo, uma modalidade exemplar de um maçarico a plasma duplo com um canal de plasma tendo dimensões D1=5 mm, L1=3 mm, D2=8 mm, L2=15 mm, D3=13 mm, L3=6mm pode operar sem a "centelhação lateral" na corrente de arco de 150-350 Amperes usando nitrogênio como o gás de plasma primário e provido em uma taxa de fluxo acima de 0,35 gramas/segundo. A diminui5 ção da taxa de fluxo do nitrogênio abaixo de 0,35 g/s e especialmente abaixo de 0,3 g/s pode resultar na "centelhação lateral". De acordo com a presente revelação, a diminuição adicional da taxa de fluxo dos gases de plasma pode ser realizada, enquanto ainda minimizando ou impedindo a centelhação lateral, implementando elementos eletricamente isolados na construção do 10 módulo de formação 30.

Com referência também à figura 5, existe a ilustração de uma modalidade de um módulo de formação 30 no qual uma porção a montante 39 de um módulo de formação 30 é eletricamente isolada da porção a jusante 37 do módulo de formação por um anel isolante cerâmico 75. Nessa modalidade ilustrada, um anel em O de vedação 55 pode ser usado em conjunto com o anel isolante 75. O isolamento elétrico da parte a montante 39 e da parte a jusante 37 do módulo de formação 30 pode resultar em estabilidade adicional do arco e jato de plasma, isto é, proporcionar um jato de plasma exibindo centelhação lateral reduzida ou eliminada, até mesmo para taxas de fluxo muito baixas de um gás de plasma e os baixos valores relacionados do número de Reynolds. Por exemplo, durante o teste de uma modalidade exemplar de uma cabeça de plasma tendo as mesmas dimensões do canal de plasma e operando no mesmo nível de corrente como na modalidade exemplar descrita acima, quando a taxa de fluxo do nitrogênio foi diminuída para 0,25 g/s, a centelhação lateral não foi observada. Isolamento elétrico adicional dos elementos do módulo de formação 30 pode ser necessário para permitir reduções até mesmo maiores na taxa de fluxo do gás de plasma enquanto minimizando ou eliminando a centelhação lateral. Tal isolamento adicional pode aumentar correspondentemente a complexidade de um aparelho de plasma duplo.

As figuras 3a-b ilustram uma modalidade de um aparelho de plasma duplo no qual um gás de plasma, ou mistura de gases de plasma, é suprido somente através de um canal de alimentação de gás 27 e porca de rotação 47. Em alguns casos, o suprimento do gás de plasma ao redor dos elétrodos pode causar uma erosão excessiva dos elétrodos, especialmente se a mistura do gás de plasma inclui ar ou um outro gás ativo. De acordo 5 com um aspecto da presente revelação, a erosão dos elétrodos pode ser reduzida, ou impedida, suprindo um gás inerte, por exemplo, argônio, através da porca de rotação 47, como descrito acima, e passando ao redor dos elétrodos. Um gás ou mistura de gás secundário adicional ou ativo pode ser alimentado separadamente a jusante da fenda 44, que fica entre o anôdo 10 45a ou catôdo 43 e a seção a montante 39 do módulo de formação 30. Uma modalidade proporcionando uma introdução secundária de um gás de plasma é mostrada na figura 6 para uma cabeça de plasma de catôdo. Uma estrutura correspondente para uma cabeça de plasma de anôdo será facilmente entendida. O gás de plasma secundário pode ser suprido para um canal 15 de gás 79 através de uma entrada de gás 81 localizada dentro de um distribuidor 41. Do canal 79, o gás secundário pode ser alimentado para um canal de plasma 32 através de fendas ou furos 77 localizados na seção a montante 39 do módulo de formação 30. Com referência também à figura 7, uma modalidade exemplar de um aspecto possível para alimentação do gás de 20 plasma secundário é mostrada nas seções transversais axial e radial. Na modalidade ilustrada, quatro fendas 77 podem ser produzidas na seção a montante 39 para suprir o gás de plasma secundário para o canal de plasma 32. Como mostrado, as fendas 77 podem ser dispostas para prover introdução substancialmente tangencial do gás de plasma secundário no canal de 25 plasma 32. Outras disposições podem também ser utilizadas adequadamente.

Pode existir uma variedade de disposições possíveis implementando um, ou vários, aparelhos de plasma duplos de acordo com a presente revelação para satisfazer exigências tecnológicas diferentes lidando com 30 tratamento com plasma de materiais e a pulverização com plasma. A injeção axial, radial e axial/radial combinada dos materiais a serem tratados com plasma pode ser utilizada nessas disposições. As figuras 8-11 ilustram configurações exemplares para a injeção do material em conjunto com um aparelho de plasma duplo. Várias outras configurações podem também ser utilizadas adequadamente.

As figuras 8 e 9 ilustram configurações de injeção implementa5 das em combinação com um único maçarico a plasma duplo, respectivamente provendo a alimentação axial e radial dos materiais a serem tratados. O ângulo α entre a cabeça do catôdo 10 e a cabeça do anôdo 20 pode ser um dos parâmetros principais determinando a posição de uma zona de acoplamento, comprimento do arco e, conseqüentemente, voltagem de operação 10 do arco. Ângulos α menores podem resultar geralmente em arco mais longo e voltagem de operação mais alta. Dados experimentais indicam que para o processo de revenir plasma eficiente de pós cerâmicos, um ângulo α dentro de 45-80 graus pode ser vantajosamente utilizado, com um ângulo na faixa entre aproximadamente 50° < α < 60° sendo particularmente vantajoso.

As figuras 8a-8b ilustram as cabeças de plasma do catôdo 10 e

do anôdo 20 orientadas para prover um sistema de maçarico a plasma duplo inclinado único 126. As cabeças de plasma 10, 20 podem ser energizadas por um suprimento de força 130. Um injetor de pó axial 120 pode ser disposto entre as cabeças de plasma 10, 20 respectivas e pode ser orientado para 20 direcionar o material injetado geralmente para a zona de acoplamento. O injetor de pó axial 120 pode ser suportado em relação às cabeças de plasma

10, 20 por um suporte de injetor 124. Em várias modalidades, o suporte do injetor pode isolar elétrica e/ou termicamente o injetor 120 do sistema de maçarico a plasma 126.

Uma configuração de maçarico a plasma provendo alimentação

radial de materiais é ilustrada nas figuras 9a-c. Como mostrado, uma injeção radial 128 pode ser disposta adjacente à extremidade de uma ou ambas as cabeças de plasma, por exemplo, cabeça de plasma do catôdo 10. A injeção radial 128 pode ser orientada para injetar o material na corrente de plasma 30 emitida da cabeça de plasma em uma direção geralmente radial. Um injetor radial 128 pode ter uma seção transversal circular do canal de alimentação do material 140, como mostrado na figura 9c. Em outras modalidades, entretanto, uma forma elíptica ou similar do canal 136, orientada com o eixo geométrico mais longo orientado ao longo do eixo geométrico da corrente de plasma proveniente da cabeça de plasma como mostrado na figura 9b, pode resultar em utilização aperfeiçoada da energia do plasma e, conseqüente5 mente, em taxa de produção mais alta.

As figuras 10-11 ilustram disposições possíveis de dois conjuntos de maçarico a plasma duplo 132. O eixo geométrico de cada par da cabeça de plasma do catôdo 10a, 10b e da cabeça de plasma do anôdo correspondente 20a, 20b pode ficar em um plano respectivo 134a, 134b. Os 10 planos 134a e 134b podem formar o ângulo β entre si. Alguns resultados experimentais indicaram que o ângulo β entre aproximadamente 50-90 graus e mais particularmente na faixa entre aproximadamente 55° < β < 65° pode proporcionar processo de revenir plasma eficiente de pós cerâmicos. A centelhação lateral pode começar a ocorrer à medida que o ângulo β entre os 15 planos 134a, 134b é diminuído abaixo de aproximadamente 50 graus. Ângulos β maiores do que aproximadamente 80-90 graus podem resultar em algumas desvantagens para a injeção do pó axial.

Como discutido acima, configurações para alimentação axial dos materiais são ilustradas nas figuras 8 e 11. O injetor de pó 120 pode ser instalado no suporte do injetor 124 para proporcionar a capacidade de ajuste da posição do injetor 120 para se adequar às várias exigências de processamento. Embora não-mostrado, injetores de material radiais, tal como representados nas figuras 9a-c, podem ser de maneira similarmente ajustável montados em relação às cabeças de plasma, por exemplo, para permitir que o espaçamento entre o injetor e a corrente do plasma seja ajustado, bem como permitir o ajuste do ponto de injeção ao longo da corrente do plasma. Um injetor axial 120 pode ter uma seção transversal circular 140 do canal de alimentação do material. Entretanto, similar à injeção radial, um canal injetor elíptico ou em formato similar pode ser utilizado, por exemplo, com o eixo geométrico mais longo da abertura orientado como mostrado na figura 11b. Uma tal configuração pode resultar em utilização aperfeiçoada da energia do plasma, que pode, por sua vez, resultar em taxa de produção mais alta. Em outras modalidades, a utilização aperfeiçoada da energia do plasma pode ser obtida através do uso de injeção radial e axial simultânea, combinada, dos materiais a serem tratados com plasma. Uma variedade de opções de injeção será entendida, que podem permitir ajustes e otimização do plasma e parâmetros de injeção para aplicações específicas.

Embora fontes de força desenvolvidas sob encomenda possam ser adequadamente utilizadas em conjunto com um sistema de plasma de acordo com a presente revelação, será verificado que a voltagem de operação de um sistema de plasma pode ser controlada e ajustada para acomo

dar os parâmetros de saída disponíveis das fontes de força comercialmente disponíveis. Por exemplo, ESAB (Florence, Carolina do Sul, USA) fabrica fontes de força ESP-400 e ESP-600 que são amplamente usadas para corte a plasma e outras tecnologias de plasma. Essas fontes de força comercialmente disponíveis podem ser eficientemente usadas para aparelhos de 15 plasma duplos e sistemas também. Entretanto, a voltagem de operação máxima dessa família de fontes de força de plasma em 100% de ciclo ativo é aproximadamente 260-290 volts. Dessa maneira, o projeto de um aparelho de plasma duplo, do tipo de gás de plasma, e a taxa de fluxo do gás de plasma podem ser ajustados para se adequarem à voltagem disponível do 20 tipo ESP das fontes de força. Ajustes similares podem ser executados para unir um aparelho de plasma duplo em outro abastecimento de força comercialmente disponível ou fabricado sob encomenda.

As figuras 12 a-b ilustram a influência das dimensões do canal de plasma, taxas de fluxo dos gases de plasma e corrente na voltagem do 25 arco para modalidades exemplares de maçaricos a plasma duplos providos com um ângulo de 50° entre cabeças de plasma respectivas de catôdo e anôdo. O nitrogênio pode ser freqüentemente um gás de plasma atrativo para aplicações por causa da sua elevada entalpia, modicidade de preço e disponibilidade. Entretanto, a aplicação somente de nitrogênio como um gás 30 de plasma pode exigir alta voltagem de operação de aproximadamente 310 volts, como ilustrado pela curva 1 nas figuras 12 a-b. A diminuição da voltagem de operação, por exemplo, para dentro de uma faixa de saída de voltagem entregue de fontes de força de plasma comercialmente disponíveis, pode ser realizada usando, por exemplo, uma mistura de argônio e nitrogênio com as taxas de fluxo otimizadas que é ilustrada pelas curvas 2-5 na figura 12a. A diminuição da voltagem de operação pode também ser realizada 5 pela otimização do perfil e dimensões do canal de plasma 32. Os dados apresentados na figura 12a foram obtidos usando um maçarico a plasma duplo no qual o canal de plasma 32 de cada cabeça de plasma tinha um perfil definido por D1=4 mm, D2=7 mm e D3=11. Os gases de plasma e as taxas de fluxo associadas a cada uma das curvas 1-5 foram, respectivamente, 10 como segue: curva 1 e 1a: N2, 0,35 g/s; curva 2: Ar, 0,35 g/s, N2, 0,2 g/s; curva 3: N2, 0,25 g/s; curva 4: Ar, 0,5 g/s, N2, 0,15 g/s e curva 5: Ar, 0,5 g/s, N2, 0,05 g/s. A figura 12b mostra que mesmo o aumento relativamente insignificante dos diâmetros D1, D2, D3 de correspondentemente 4 mm, 7 mm e

11 mm para 5 mm, 8 mm e 12 mm pode resultar na diminuição da voltagem de operação de aproximadamente 310 volts para aproximadamente 270-280 volts, o que é ilustrado pela figura 12b.

Vários aspectos e vantagens da invenção foram apresentados pela descrição de modalidades exemplares consistentes com a invenção. Deve ser verificado que numerosas modificações e variações das modalida20 des descritas podem ser feitas sem materialmente se afastar da invenção aqui. Dessa maneira, a invenção não deve ser limitada às modalidades descritas, mas deve ser propiciada com o escopo completo das reivindicações anexas a ela.

Claims

1. Aparelho de plasma duplo compreendendo: uma cabeça de plasma do anôdo e uma cabeça de plasma do catôdo, cada dita cabeça de plasma compreendendo um elétrodo e um canal de fluxo de plasma e uma entrada de gás primário disposta entre pelo menos uma porção do dito elétrodo e dito canal de fluxo do plasma, a dita cabeça de plasma do anôdo e a dita cabeça de plasma do catôdo sendo orientadas em um ângulo uma para a outra e pelo menos um dos ditos canais de fluxo do plasma compreende uma primeira porção geralmente cilíndrica, adjacente ao dito elétrodo e tendo um diâmetro D1, uma segunda porção geralmente cilíndrica, adjacente à dita primeira porção, tendo um diâmetro D2 e uma terceira porção geralmente cilíndrica, adjacente à dita segunda porção, tendo um diâmetro D3, em que D1<D2<D3.

2. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, em que a dita primeira porção do dito pelo menos um canal de fluxo compreende um comprimento L1, e em que 0,5 < L1/D1 < 2.

3. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, em que a dita primeira porção do dito pelo menos um canal de fluxo de plasma compreende um comprimento L, e em que 0,5 < L1/D1 < 1,5.

4. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, em que a primeira e a segunda porções do pelo menos um canal de fluxo de plasma exibem a relação 2 > D2/D1 > 1,2.

5. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, em que a terceira porção do pelo menos um canal de fluxo de plasma compreende um comprimento L3, e em que 2 > L3/(D3-D2) > 1.

6. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, em qu a transição entre a dita primeira porção e a dita segunda porção do pelo menos um canal de fluxo de plasma compreende uma etapa.

7. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, em que a transição entre a dita segunda porção e a dita terceira porção do pelo menos um canal de fluxo de plasma compreende uma etapa.

8. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, em que pelo menos uma cabeça de plasma compreende uma porção a montante e uma porção a jusante, a dita porção a montante compreendendo pelo menos a dita primeira porção do dito canal de fluxo de plasma e a dita porção a jusante compreendendo pelo menos a dita terceira porção do dito canal de fluxo de plasma, e em que a dita porção a montante é eletricamente isolada da dita porção a jusante.

9. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 8, em que a dita porção a montante da dita cabeça de plasma compreende peIo menos uma porção da dita segunda porção do dito canal de fluxo de plasma e a dita porção a jusante da dita cabeça de plasma compreende pelo menos uma outra porção da dita segunda porção do dito canal de fluxo de plasma.

10. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, também compreendendo uma entrada de gás secundário disposta a jusante da dita primeira porção geralmente cilíndrica do dito pelo menos um canal de fluxo de plasma.

11. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, também compreendendo um injetor de pó configurado para introduzir um material em pó em uma corrente de plasma criada pelas ditas cabeças de plasma de anôdo e catôdo.

12. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 1, em que o ângulo entre a dita cabeça de plasma do anôdo e a dita cabeça de plasma do catôdo fica entre aproximadamente 45 a aproximadamente 80 graus.

13. Aparelho de plasma duplo, de acordo com a reivindicação 12, em que o ângulo entre a dita cabeça de plasma do anôdo e a dita cabeça de plasma do catôdo fica entre aproximadamente 50 a aproximadamente60 graus.

14. Aparelho de plasma duplo compreendendo: uma cabeça de plasma do anôdo e uma cabeça de plasma do catôdo, cada dita cabeça de plasma compreendendo um elétrodo e um canal de fluxo de plasma e uma entrada de gás primário disposta entre pelo menos uma porção do dito elétrodo e dito canal de fluxo do plasma, a dita cabeça de plasma do anôdo e a dita cabeça de plasma do catôdo sendo orientadas em um ângulo uma para a outra; e pelo menos um dos ditos canais de fluxo do plasma compreende uma primeira porção geralmente cilíndrica, adjacente ao dito elétrodo e tendo um diâmetro D1, uma segunda porção geralmente cilíndrica, adjacente à dita primeira porção, tendo um diâmetro D2 e uma terceira porção geralmente cilíndrica, adjacente à dita segunda porção, tendo um diâmetro D3, em queD1<D2<D3, em que a dita primeira porção do dito pelo menos um canal de fluxo compreende um comprimento L1 e em que 0,5 < L1/D1< 2 e as ditas primeira e segunda porções do pelo menos um canal de fluxo de plasma exibem a relação 2 > D2/D1 > 1,2.