BRPI0719558A2

BRPI0719558A2 - Aparelho e sistema de plasma

Info

Publication number: BRPI0719558A2
Application number: BRPI0719558-3A
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: 2013-12-10
Also published as: AU2007325292B2; JP5396609B2; KR20140140646A; MX2009005528A; AU2007325285A1; US20080121624A1; CN101605625A; WO2008067292A2; KR101495199B1; KR20090103890A; MX2009005566A; JP2010511284A; JP2010511285A; AU2007325292A1; KR101438463B1; WO2008067285A2; CA2670256C; BRPI0719557A2; EP2091758A2; RU2479438C2

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. N0 11/564.080, depositado em 28 de novembro de 2006, cuja descrição é in- corporada aqui por referência.

CAMPO

A presente invenção 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 apropria- 15 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 eletrodos. Simi- larmente, a estabilidade do arco pode também ser uma função da erosão dos eletrodos e/ou a estabilidade de perfilagem do jato do plasma, ou posi- 20 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 catodo e uma de anodo 10, 20 são geral- mente dispostas em aproximadamente um ângulo de 90 graus em relação uma a outra. Um tubo de alimentação 112, geralmente disposto entre as ca- beças, pode suprir um material a ser tratado pelo plasma. Os componentes 30 são geralmente dispostos para propiciar uma zona de processamento confi- nada 110 na qual o acoplamento dos arcos ocorrerá. A proximidade relativa uma com a outra e o pequeno espaço circundado por elas, frequentemente 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, frequentemente chamada "centelhação lateral" ocorre quando os arcos preferivelmente se prendem em trajetórias de menor resistência.

Tentativas para impedir a centelhação lateral frequentemente

envolve 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 consequen- temente resultam em eficiência de processo inferior.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Aspectos e vantagens da matéria exposta reivindicada serão e- videntes a partir da descrição seguinte das modalidades consistentes com ela, cuja descrição deve ser considerada em conjunto com os desenhos a- companhantes, 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 catodo e uma cabeça de plasma de anodo, res- pectivamente, consistentes com a presente descrição;

a figura 4 é uma vista detalhada de uma modalidade de um ca- nal de plasma incluindo três porções cilíndricas com diâmetros diferentes consistentes com um aspecto da presente descrição;

a figura 5 é uma vista esquemática detalhada de uma modalida-

de de um módulo de formação consistente com a presente descrição tendo porções da 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 secional axial e ra-

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

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

a figura 10 é um esquema de um conjunto de maçarico a plas-

ma incluindo dois maçaricos a plasma duplos;

as figuras 11 a-b são ilustrações superior e inferior de um con- junto de maçarico a plasma incluindo dois maçaricos a plasma duplos confi- gurados 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 descrição pode proporcionar 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 eletrodo. Adicionalmente, a presente descrição pode proporcionar ferramen- 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 des-

crição pode proporcionar eficiência substancialmente mais alta no tratamen- to com plasma dos materiais. Em parte, a eficiência mais alta pode ser reali- zada pelas taxas de fluxo do plasma e velocidades que são relativamente baixas e números de Reynolds relativos que podem ser de cerca de, ou a- baixo, 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. Adicional- mente, um aparelho de plasma duplo consistente com a presente descrição pode também reduzir, ou eliminar, a ocorrência da centelhação lateral, que está convencionalmente relacionada com a alta voltagem e/ou baixos núme- ros de Reynolds.

Com referência à figura 2, um aparelho de plasma duplo 100 pode gerar um arco 7 entre a cabeça de plasma do anodo 20 e a cabeça de plasma do catodo 10 correspondentemente conectadas nos terminais positi- vo e negativo de uma fonte de força DC. 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 pro- vendo a zona de acoplamento das cabeças de plasma 10, 20.

Com referência primeiro à figura 3, a presente descrição pode prover geralmente um aparelho de plasma duplo incluindo uma cabeça de plasma do catodo representada na figura 3a e uma cabeça de plasma do anodo representada na figura 3b. Como mostrado, as cabeças de plasma do anodo e catodo podem ser geralmente de um projeto similar. A diferença principal entre as cabeças de plasma do anodo e do catodo pode estar no projeto dos eletrodos. Por exemplo, em uma modalidade particular, uma ca- beça de plasma do anodo pode incluir um anodo 45a, que pode ser feito de material com uma condutividade relativamente alta. Anodos exemplares po- dem incluir cobre ou liga de cobre, com outros materiais adequados e confi- gurações sendo facilmente entendidos. A cabeça de plasma do catodo pode incluir uma inserção 43 que é inserida em um suporte de catodo 45b. O su- porte de catodo 45b pode ser feito de material com alta condutividade. Simi- lar ao anodo, o suporte do catodo 45b pode ser de cobre ou liga de cobre, etc. O material de inserção 43 pode ser escolhido para proporcionar longa duração da inserção quando usada em conjunto com gases de plasma parti- culares. Por exemplo, tungstênio "lanthaneited" ou "torirated" pode ser um 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 modali- dades usando ar como um gás de plasma. Em outras modalidades, o anodo pode ser de um projeto similar ao catodo e pode conter tungstênio ou háfnio ou outras inserções que podem aumentar a estabilidade do arco e pode pro- Iongar a duração do anodo.

Cabeças de plasma podem ser geralmente formadas por um módulo de eletrodo 99 e um conjunto de formação de plasma 97. Um módu- lo do eletrodo 99 pode incluir elementos primários, tais como um alojamento do eletrodo 23, um canal de alimentação de gás de plasma primário 25 ten- do encaixe de entrada 27, uma porca de rotação 47 formando um compo- nente de rotação de um gás do plasma e um eletrodo resfriado a água 45a ou 45b. Vários componentes adicionais e/ou substitutos podem ser facilmen- te entendidos e vantajosamente utilizados em conjunto com um módulo de eletrodo da presente descrição. 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 resfriamen- to 13 conectado com a entrada de água 15, anel de isolamento 35. O módu- lo 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 44 entre o anodo 45a ou suporte do catodo 45b, com o catodo 43 montado nele, e a seção a montante 39 do módulo de formação 30. Várias outras configurações podem ser utilizadas alternadamente, ou adicionalmente, para proporcionar o gás de plasma primário para o canal de plasma 32.

O canal de plasma 32 consistente com a presente descrição po- de 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 aproxima- damente 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 ci- líndricas, como ilustrado em mais detalhes na figura 4. A porção a montante 38 do canal de plasma 32 pode ser disposta adjacente aos eletrodos, por exemplo, a inserção do catodo 43 e o anodo 45b e pode ter diâmetro D1 e comprimento L1. A porção média 40 do canal de plasma 32 pode ter diâme- tro D2 > D1 e comprimento L2. A porção de saída 42 do canal de plasma 32 pode ter diâmetro D3 > D2 e comprimento L3.

A porção cilíndrica a montante 38 pode gerar velocidade otimi- zada de um jato de plasma provendo uma expansão confiável, ou propaga- ção, do jato de plasma para a zona de acoplamento 12 representada na figu- ra 2. O diâmetro D1 pode ser maior do que o diâmetro do catodo DO. De forma 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 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 se- lecionado 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. Experimen- talmente, 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 veloci- dade 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 > 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 des- critas 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 proporcio- nar, em algumas modalidades, desempenho desejável. Nas modalidades ilustradas nas figuras 3 e 4, o canal de plasma 32 exibe um perfil escalonado entre as três porções geralmente cilíndricas. Além da configuração escalo- nada, 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 tam- bém usadas para a mesma finalidade.

Um aparelho de plasma duplo tendo canais de plasma consis- tentes com as relações (1)-(5) acima pode proporcionar uma operação está- vel com centelhação lateral reduzida, ou eliminada, através de uma faixa relativamente ampla de parâmetros de operação. Entretanto, em alguns ca- sos, a "centelhação lateral" pode ainda ocorrer quando a taxa de fluxo do gás de plasma e a velocidade do plasma são reduzidas ainda mais. Por e- xemplo, 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 cor- rente 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 diminuição 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 descrição, 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 módulo de formação 30.

Com referência também à figura 5, existe a ilustração de uma modalidade de um módulo de formação 30 na qual uma porção a montante 39 de um módulo de formação 30 é eletricamente isolada da porção a jusan- te 37 do módulo de formação por um anel isolante cerâmico 75. Nessa mo- dalidade ilustrada, um anel em O de vedação 55 pode ser usado em conjun- to 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 e- xemplar 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 pa- ra 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 apa- relho 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 eletrodos pode causar uma erosão excessiva dos eletrodos, especialmente se a mistura do gás de plasma inclui ar ou um outro gás ativo. De acordo com um aspecto da presente descrição, a erosão dos eletrodos pode ser reduzida, ou impedida, suprindo um gás inerte, por exemplo, argônio, atra- vés da porca de rotação 47, como descrito acima, e passando ao redor dos eletrodos. Um gás ou mistura de gás secundário adicional ou ativo pode ser alimentado separadamente a jusante da fenda 44, que fica entre o anodo 45a ou catodo 43 e a seção a montante 39 do módulo de formação 30. Uma modalidade proporcionando uma introdução secundária de um gás de plas- ma é mostrada na figura 6 para uma cabeça de plasma de catodo. Uma es- trutura correspondente para uma cabeça de plasma de anodo será facilmen- te entendida. O gás de plasma secundário pode ser suprido para um canal de gás 79 através de uma entrada de gás 81 localizada dentro de um distri- buidor 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 montan- te 39 do módulo de formação 30. Com referência também à figura 7, uma modalidade exemplar de um aspecto possível para alimentação do gás de 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 introdu- ção substancialmente tangencial do gás de plasma secundário no canal de plasma 32. Outras disposições podem também ser utilizadas adequadamen- te.

Pode existir uma variedade de disposições possíveis implemen- tando um, ou vários, aparelhos de plasma duplos de acordo com a presente descrição para satisfazer exigências tecnológicas diferentes lidando com 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 con- figurações exemplares para a injeção do material em conjunto com um apa- relho de plasma duplo. Várias outras configurações podem também ser utili- zadas adequadamente.

As figuras 8 e 9 ilustram configurações de injeção implementa- das em combinação com um único maçarico a plasma duplo, respectivamen- te provendo a alimentação axial e radial dos materiais a serem tratados. O ângulo α entre a cabeça do catodo 10 e a cabeça do anodo 20 pode ser um dos parâmetros principais determinando a posição de uma zona de acopla- mento, comprimento do arco e, consequentemente, voltagem de operação do arco. Ângulos α menores podem resultar geralmente em arco mais longo e voltagem de operação mais alta. Dados experimentais indicam que para o coalescimento eficiente do plasma de pós cerâmicos, um ângulo α dentro de 45-80 graus pode ser vantajosamente utilizado, com um ângulo na faixa en- tre aproximadamente 50° < α < 60° sendo particularmente vantajoso. As figuras 8a-8b ilustram as cabeças de plasma do catodo 10 e

do anodo 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 dispos- to entre as cabeças de plasma 10, 20 respectivas e pode ser orientado para 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 catodo 10. A injeção radial 128 pode ser orientada para injetar o material na corrente de plasma 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, entre- tanto, uma forma elíptica ou similar do canal 136, orientada com o eixo geo- métrico 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, consequente- mente, em taxa de produção mais alta.

As figuras 10-11 ilustram disposições possíveis de dois conjun- tos de maçarico a plasma duplo 132. O eixo geométrico de cada par da ca- beça de plasma do catodo 10a, 10b e da cabeça de plasma do anodo cor- respondente 20a, 20b pode ficar em um plano respectivo 134a, 134b. Os 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 coalescimento eficiente do plasma de pós cerâmicos. A cente- Ihação lateral pode começar a ocorrer à medida que o ângulo β entre os pla- nos 134a, 134b é diminuído abaixo de aproximadamente 50 graus. Ângulos β maiores do que aproximadamente 80-90 graus podem resultar em algu- mas desvantagens para a injeção do pó axiai.

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 proces- samento. Embora não-mostrado, injetores de material radiais, tal como re- presentados 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 descrição, será verificado que a voltagem de opera- ção 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 comercial- mente disponíveis podem ser eficientemente usadas para aparelhos de plasma duplos e sistemas também. Entretanto, a voltagem de operação má- xima 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 tipo ESP das fontes de força. Ajustes similares podem ser executados para unir um aparelho de plasma duplo em outro abastecimento de força comer- cialmente 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 arco para modalidades exemplares de maçaricos a plasma duplos providos com um ângulo de 50° entre cabeças de plasma respectivas de catodo e anodo. 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 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 volta- gem de operação, por exemplo, para dentro de uma faixa de saída de volta- gem entregue de fontes de força de plasma comercialmente disponíveis, pode ser realizada usando, por exemplo, uma mistura de argônio e nitrogê- nio com as taxas de fluxo otimizadas que é ilustrada pelas curvas 2-5 na fi- gura 12a. A diminuição da voltagem de operação pode também ser realizada pela otimização do perfil e dimensões do canal de plasma 32. Os dados a- presentados na figura 12a foram obtidos usando um maçarico a plasma du- plo 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 com cada uma das curvas 1-5 foram, respectivamente, 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 insig- nificante 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 modalida- des descritas podem ser feitas sem materialmente se afastar da invenção aqui. Dessa maneira, a invenção não deve ser limitada às modalidades des- critas, mas deve ser propiciada com o escopo completo das reivindicações anexas a ela.

Claims

1. Aparelho de plasma compreendendo: uma primeira cabeça de plasma do anodo e uma primeira cabe- ça de plasma do catodo, cada uma compreendendo um eletrodo, um canal de fluxo de plasma e uma entrada de gás primário disposta entre pelo me- nos uma porção do dito canal de fluxo do plasma, a dita primeira cabeça de plasma do anodo e a dita primeira cabeça de plasma do catodo sendo dis- postas em ângulo relativo entre si; e uma segunda cabeça de plasma do anodo e uma segunda ca- beça de plasma do catodo, cada uma compreendendo um eletrodo, um ca- nal de fluxo de plasma e uma entrada de gás primário disposta entre pelo menos uma porção do dito eletrodo, o dito canal de fluxo do plasma, a dita segunda cabeça de plasma do anodo e a dita segunda cabeça de plasma do catodo sendo dispostos em um ângulo em relação um ao outro; a dita primeira cabeça de plasma do anodo e primeira cabeça de plasma do catodo sendo dispostas em um primeiro plano e a dita segun- da cabeça de plasma do anodo e a dita segunda cabeça de plasma do cato- do sendo dispostas em um segundo plano, o dito primeiro e segundo planos sendo dispostos em um ângulo entre aproximadamente 50 a aproximada- mente 90 graus um do outro.

2. Aparelho de plasma de acordo com a reivindicação 1, no qual o dito primeiro plano e o dito segundo plano são dispostos em um ângulo entre aproximadamente 55 a aproximadamente 65 graus um do outro.

3. Aparelho de plasma de acordo com a reivindicação 1, no qual o dito canal de fluxo do plasma de cada cabeça de plasma compreende uma primeira porção geralmente cilíndrica, adjacente ao dito eletrodo, 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.

4. Aparelho de plasma de acordo com a reivindicação 1, tam- bém compreendendo um injetor de pó associado com pelo menos uma cabeça de plasma, o dito injetor configurado para introduzir um material em pó em uma corrente de plasma gerada pela dita pelo menos uma cabeça de plasma.

5. Aparelho de plasma de acordo com a reivindicação 4, no qual o dito injetor de pó é configurado para injetar pó geralmente de maneira ra- dial em relação à dita corrente de plasma e sendo que o dito injetor de pó compreende uma seção transversal de abertura alongada, um eixo geomé- trico longo da dita abertura orientado geralmente paralelo a um eixo geomé- trico do dito canal de fluxo do plasma da dita pelo menos uma cabeça de plasma.

6. Aparelho de plasma de acordo com a reivindicação 4, no qual o dito injetor de pó é configurado para direcionar um material em pó para uma região localizada entre uma zona de acoplamento da dita primeira ca- beça de plasma do anodo e dita primeira cabeça de plasma do catodo e uma zona de acoplamento da dita segunda cabeça de plasma do anodo e da dita segunda cabeça de plasma do catodo.

7. Aparelho de plasma de acordo com a reivindicação 4, com- preendendo um primeiro injetor de pó configurado para injetar pó geralmente de maneira radial em relação à dita corrente de plasma, e um segundo inje- tor de pó configurado para direcionar o material em pó para uma região loca- lizada entre uma zona de acoplamento da dita primeira cabeça de plasma do anodo e dita primeira cabeça de plasma do catodo e uma zona de acopla- mento da dita segunda cabeça de plasma do anodo e dita segunda cabeça de plasma do catodo.

8. Aparelho de plasma de acordo com a reivindicação 1, no qual pelo menos uma das ditas cabeças de plasma compreende uma entrada de gás secundário a jusante da dita entrada de gás primário.