CH364058A - Elektrische Lichtbogenentladungsvorrichtung - Google Patents

Elektrische Lichtbogenentladungsvorrichtung

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CH364058A
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CH5983758A
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Wroe Harold
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Ass Elect Ind Manchester Ltd
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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32055Arc discharge
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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Description


  Elektrische Lichtbogenentladungsvorrichtung    Es sind     Gleichstromlichtbogenentladungsvorrich-          tungen    in einem ionisierbaren Medium bei niedrigem  Druck bekannt, bei denen die Lichtbogenentladung  benutzt wird, um Metall zu schmelzen, zu schweissen  oder zu verdampfen. Diese Vorrichtungen dienen  vor allem, doch nicht ausschliesslich, der     Behandlung     von Metallen, wie Zirkonium, Titan, deren Herstel  lung in festen Massen oder Barren im Zustand hoher  Reinheit nach üblichen Schmelz- und Giessverfahren  nicht möglich ist.

   Die Grundschwierigkeiten mit sol  chen Metallen bestehen darin, dass ein feuerbestän  diges Material für die Aufnahme des     geschmolzenen     Materials bei entsprechend hohen Temperaturen  fehlt, dass hohe Temperaturen notwendig sind, um  diese Metalle zum Schmelzen zu bringen, und dass  diese Metalle bei den hohen Temperaturen in hohem  Masse reaktiv sind.  



  Ähnliche Schwierigkeiten bestehen beim Schwei  ssen und Verdampfen solcher Metalle. Es ist beispiels  weise möglich, Zirkonium unter Verwendung von  Wolframelektroden in einer inerten Atmosphäre zu  schweissen und ein Verdampfen kann in einem in  duktionsbeheizten, feuerfesten Schmelztiegel erfolgen.  In beiden Verfahren kann das Metall leicht verunrei  nigt werden.  



  Das zweckmässigste Verfahren zum     Schmelzen     u<B>o</B>  und/oder Verdampfen der genannten Metalle ist die  Benutzung einer Niederdruck-Lichtbogenentladung,  wobei das zu schmelzende Metall in Form einer Ver  brauchs- oder verbrauchbaren Elektrode benutzt  wird. Bei diesem Verfahren ist das zu     schmelzende     Metall zunächst in der Form eines Stabes vorhanden,  der nach pulvermetallurgischer Technik hergestellt  sein kann und in einer Kammer untergebracht wird,  die sich entweder unter Vakuum befindet oder mit  inertem Gas gefüllt ist. Der Stab wird mit einer  Stromquelle verbunden und wird in einer wasser-    gekühlten Form oder einem entsprechenden Ofen  zentral abwärts geführt, in dem eine kleine Menge  gleichen Materials die andere Elektrode bildet.

   Ge  langen die beiden Elektroden miteinander in Kontakt,  so wird ein Lichtbogen gebildet, bei dem das Stab  material schmilzt und ein Bad aus geschmolzenem  Werkstoff in einem Kupferbehälter bildet, der sich  bis zur Ofenwand ausdehnen kann. Infolge der hohen  thermischen Leitfähigkeit von Kupfer und des ra  schen     Wärmeentzuges    erstarrt das     geschmolzene    Me  tall sehr rasch, wenn es in Berührung mit dem Kup  fer     kommt,    und formt so einen Metallbarren, ohne  dass ein     Schmelzen    des Kupfers     stattfindet.    Fort  schreitend mit dem Zuwachs an geschmolzenem Me  tall zu dem Bad, schreitet auch das Festwerden vom  Boden und den Seiten der Schmelze her fort,

   so dass  in einem bestimmten Augenblick nur ein kleines  halbmondförmiges Bad aus Metall     im        geschmolzenen     Zustand vorhanden ist.  



  Eine Schwierigkeit, die bei der     Lichtbogenent-          ladung    im Betrieb bei diesem Verfahren auftritt,  stammt aus der Neigung des Kathodenflecks, von  dem Bad aus     geschmolzenem    Metall auf die Wände  des Ofens zu wandern. Wenn dieser Fall auftritt,  stellt der     Lichtbogenfleck    sein Wandern ein und  bleibt stehen. Dann tritt leicht ein Schmelzen des  wassergekühlten Kupfers ein und das zu behandelnde  geschmolzene Metall fliesst in die sich ergebende  Öffnung und bewirkt ein mechanisches Festsetzen,  durch das die     Herausnahme    des Barrens     behindert     wird.

   Es besteht eine grössere Neigung für die Wurzel  des Lichtbogens zum Wandern, wenn die Verbrauchs  elektrode die positive, als wenn sie die negative Elek  trode ist.  



  Das Hauptziel der Erfindung ist das Herbeifüh  ren     eines    stabileren Lichtbogens, das heisst das An  ordnen eines Mittels, um die Bewegung des Licht-      bogenansatzpunktes oder -8ecks auf eine vor  bestimmte Fläche der negativen Elektrode zu be  schränken.  



  Die elektrische Lichtbogenentladungsvorrichtung  nach dieser Erfindung besitzt Elektroden, zwischen  denen eine Lichtbogenentladung in einem Vakuum  bewirkt werden kann, wenn eine Gleichspannungs  quelle an die Elektroden angeschlossen wird. Die  elektrische Lichtbogenentladungsvorrichtung ist nach  der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass Mittel  vorgesehen sind, um im Lichtbogenweg zwischen den  Elektroden ein magnetisches Feld zu erzeugen, das  zum kürzesten Weg des Lichtbogenstromflusses zwi  schen den Elektroden symmetrisch ist und ganz oder  mit einer Komponente parallel zu diesem Stromweg  gerichtet ist, zum Zwecke, das     Wandern    des Ansatz  punktes der schmelzbaren Metallelektrode     einzuengen.     



  Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes  sind in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht.  Es zeigen:  Fig. 1 die Wirkung eines Magnetfeldes auf die  Bewegung eines Lichtbogenansatzpunktes auf der  Kathode,  Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Steue  rung des Kathodenansatzpunktes auf einer Kathoden  ebene mittels eines geneigten Magnetfeldes bewirkt  werden kann,  Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel., bei dem die  Steuerung des Kathodenansatzpunktes auf einer nicht  ebenen Kathode mittels eines gleichmässigen magneti  schen Feldes bewirkt werden kann,  Fig. 4 ein Beispiel einer magnetischen Stabilisie  rung bei Vakuumschweissung,  Fig. 5 eine Elektrodenanordnung zum Schweissen  von Flusseisen unter Anwendung eines stabilisieren  den magnetischen Feldes eines     Dauermagneten    und  Fig.

   6 eine Vorrichtung mit einem magnetisch  stabilisierten Gleichstromlichtbogen als Verdamp  fungsmittel zum Zwecke der Niederschlagsbildung  im Vakuum.  



  Fig. 1 veranschaulicht die Wirkung eines     gleich-          mässigen    magnetischen Feldes, das zur Kathoden  oberfläche 2, an der der Lichtbogen ansetzt, in einem  Winkel geneigt verläuft. Der Strom des Lichtbogens  3, der in dem Lichtbogenansatzpunkt in die Kathode  eintritt, hat eine hohe Stromdichte und der Licht  bogen verhält .sich wie ein     stromführender    Leiter und  wird durch das     Magnetfeld    abgelenkt, jedoch in einer  Richtung, die der durch die  linke-Hand -Regel fest  gelegten Richtung entgegengesetzt ist. Deswegen wird  der Ansatzpunkt durch die Komponente 4 des elek  trischen Feldes, die parallel zur Kathodenoberfläche  verläuft, in Richtung in die Papierebene hinein  bewegt.

   Ein zweiter Effekt zeigt sich, der der verti  kalen Komponente 5 des Feldes zuzuschreiben ist  und bewirkt, dass der Kathodenansatz sich von einem  stumpfen auf einen spitzen     Winkel    zwischen Feld und  Oberfläche einstellt, das heisst in Fig. 1 von links nach  rechts. Die     Richtung    des Feldes     beeinflusst    diese Be  wegung nicht, sondern nur ihre Grösse und ihren    Neigungswinkel. Die Fig. 1 stellt kein Ausführungs  beispiel der Erfindung dar.  



  Die Erfindung verwertet entsprechend diese Wir  kung des     Magnetfeldes    auf die Lage des Lichtbogens,  um eine Steuerung des Kathodenansatzpunktes zu  bewirken. Es werden je nach den praktischen Ge  sichtspunkten Feldstärken von etwa 500 Gauss bei  Neigung zwischen 20 und 50  zur Kathodenober  fläche notwendig.  



  Fig. 2 zeigt einen konisch ausgebildeten Magnet  pol 6, der mittels einer Spule ausserhalb der Vakuum  kammer, in der der     Lichtbogen    erzeugt wird, magne  tisiert wird und nahe bei der Kathode 7 mit ebener  Oberfläche für das Ansetzen des Lichtbogens unter  gebracht ist. Der Polschuh kann die Anode selbst  bilden, wenn das zu schmelzende Material     magneti-          sierbar    ist, oder die Anode kann zwischen einen be  sonderen Magnetpol und die Kathode eingesetzt sein,  wenn das Material unmagnetisch ist. Das Magnetfeld  8 verläuft im ersten Fall wie in Fig. 2 angedeutet, und  die Feldlinien     sind    zur Achse der Anordnung,, das  heisst zum direkten oder kürzesten Lichtbogenweg 3  zwischen den Elektroden symmetrisch.

   Dadurch wird  die Axialkomponente des Magnetfeldes bestrebt sein,  den Kathodenansatzpunkt in Richtung zum direkten  Weg oder der Achse des     Lichtbogenstromes    zwischen  Kathode und Anode zu drücken., und die Radial  komponente dahin wirken, den Ansatzpunkt entlang  der Spur eines Kreisumfanges zu bewegen. Als Ergeb  nis davon ist die Bewegung des Ansatzpunktes auf eine  kleine Fläche im Mittelpunkt der Elektrode begrenzt.  



       Fig.    3 zeigt eine andere Anordnung zur Errei  chung eines ähnlichen Ergebnisses. Die Neigung zwi  schen Magnetfeld und     Kathodenoberfläche    wird  durch Verwendung einer entsprechend geformten  Elektrode und durch ein koaxial gerichtetes, gleich  mässiges Magnetfeld erreicht. Das Profil des Endes  der Elektrode 7 kann konisch oder, wie gezeigt, sphä  risch sein. Bei so ausgebildeter Elektrode ist deren  Oberfläche zum Verlauf des Magnetfeldes veränder  lich geneigt, ausgenommen im kürzesten Lichtbogen  weg zwischen den Elektroden. Der Vorteil der sphä  rischen Form liegt darin, dass die Kathode geneigt  werden kann, das heisst, dass sie gehandhabt werden  kann, wie das beim Schweissen üblich ist, wobei der  richtige Winkel zwischen Magnetfeld und Kathoden  oberfläche automatisch aufrechterhalten bleibt.

    Diese Anordnung hat weiter den Vorteil, dass die  positive     Lichtbogensäule    an 6 in einem gleichmässigen  Magnetfeld liegt, die dadurch auf die Form eines  engen Zylinders zusammengedrängt ist, statt dass sie  die ganze evakuierte Kammer ausfüllt, in der der  Lichtbogen auftritt. Infolgedessen wird beim Schwei  ssen die     Aufheizwirkung    bei der Anode 6 viel stärker  konzentriert. In einem     Lichtbogenofen    kann infolge  dieser Erscheinung mit niedrigeren Strömen ein wesent  lich höheres Vakuum benutzt werden. Ohne dieses  koaxiale magnetische Feld ist es nicht     möglich,    mit  Strömen unter 900 Ampere eine genügende Stabilität  des Lichtbogens zu erreichen.

        Infolge der Auswertung der positiven Säule geht  im hohen Vakuum ohne das magnetische Feld der  grösste Teil der Heizwirkung an die Wände der Ap  paratur verloren.  



  Doch kann die angegebene Anordnung in den  Fällen nicht benutzt werden, in denen eine Verbrauch  elektrode benutzt wird. Das ergibt sich aus der Tat  sache, dass im Falle, in welchem die Kathode schmel  zen kann, viele kleine Kügelchen geschmolzenen Me  talls aus der Zone des Lichtbogenansatzes an der Ka  thode mit hoher Geschwindigkeit herausgeschleudert  werden und andere Teile der Kathode treffen und  einen neuen Ansatzpunkt an der Kathode schaffen  können, wodurch die Stabilität zusammenbricht. Aus  diesen Gründen muss beim Schweissen ein getrennter  Füllstab verwendet werden und die Kathode wasser  gekühlt sein.  



  Die Anordnung nach Fig. 3 kann, wie Fig. 4  zeigt, für Vakuumschweissung verwendet werden.  Kurze Stäbe 9, die miteinander verschweisst werden  sollen, werden Anfang an Ende anschliessend durch  die Vakuumkammer 10 und über einen Stahlteil 11  gleitend zugeführt. Dieser Stahlteil besteht aus einem  Magnetpol, der mittels einer wassergekühlten Spule  12 erregt wird, die ausserhalb der Vakuumkammer  untergebracht ist. Ein     Stahlring    13 ist unterhalb der  Spule angeordnet, um den magnetischen Kreis zu  verbessern. Der Lichtbogen entsteht, wie     gezeigt    ist,  zwischen den Stäben 9 und der sphärischen Elektrode  14, wobei beide Elektroden aus dem gleichen Ma  terial sind.

   Das aus dem Magnetpol austretende, zum  kürzesten Lichtbogenweg symmetrische Magnetfeld  besitzt eine Komponente parallel zum Lichtbogen  weg von der Elektrode 14 zu den Stäben 19 und  Komponenten, die von diesem Lichtbogenweg radial  auswärtsgerichtet sind. Die Elektrode 14 ist Wasser  gekühlt und unter der Wirkung des Lichtbogens ver  schmelzen die Stäbe 9 miteinander. Die Stäbe werden  dann weiterbewegt, bis die Stelle für die nächste  Schweissung unterhalb der Kathode liegt, und der  Lichtbogen wird wieder gezündet. Feldstärken von  etwa 500 Gauss sind an der Oberfläche der Kathode  erforderlich.  



  Eine Fortentwicklung der Anordnung nach Fig. 4  kann für das Schweissen komplizierterer Körper benutzt  werden. Für Verfahren der Kerntechnik ist es mit  unter notwendig, Beryllium in einem evakuierten  Stahlbehälter einzuschliessen. Das Verschliessen des  letzteren kann nach Fig. 5 ausgeführt werden. Bei  dieser     Ausführungsform    wird das Magnetfeld, wie  gezeigt, durch einen     Dauermagneten    15     erzeugt,    der  in der gestrichelt angedeuteten Vakuumkammer un  tergebracht ist und von der Kathode 14 getragen  wird. Diese Anordnung ist wohlfeil und einfach und  erzeugt das Magnetfeld nur     dort,    wo es     erforderlich     ist.

   Ein zusätzlicher Ringmagnet 16 kann als Schutz  ring dienen, um die richtige Form des Feldes zu  wahren. Der Werkstoff für die Herstellung der Ver  schweissung der Hohlkehle beim Rand der Kanne 17  kann in Form eines     Ringes    18 aus Metall an die    Stelle der zu bildenden Verschweissung gebracht wer  den, worauf dann der Ring unter der Wirkung des  elektrischen Bogens     schmilzt    und mit der Kanne und  dem Deckel verschmilzt, um die Schweissung zu bil  den. Die Verschweissung findet in der angegebenen  evakuierten Kammer statt.  



  Eine geeignete Vorrichtung für das Verdampfen  von Metall wird in Fig. 6 gezeigt. Bei dieser wird  das gleichmässige Magnetfeld durch     einen;    Dauer  magnet 19 bewirkt, der ausserhalb der Vakuumkam  mer 20 untergebracht ist. Die Elektroden 21, 22 be  stehen beide aus dem zu verdampfenden Werkstoff  und sind wassergekühlt. Die Kathode 22 kann die ge  zeigte konische Form besitzen, kann aber auch  Kugelform erhalten. Da die Elektroden feststehen,  wird der Lichtbogen durch     Berühren    der Kathode mit  einem Wolframdraht 23 gezündet, der elektrisch mit  der Anode verbunden ist und über den Balg 24 ge  handhabt werden kann.

   Der verdampfte     Werkstoff     wandert von der Entladungszone durch eine Leitung  in Form eines Rohres 25 in die Niederschlagskam  mer, die mittels einer Diffusionspumpe     evakuiert    wird,  hinter der eine Rotationspumpe folgt.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Elektrische Lichtbogenentladungsvorrichtung mit Elektroden, zwischen denen eine Lichtbogenentladung in einem Vakuum bewirkt werden kann, wenn eine Gleichspannungsquelle an die Elektroden angeschlos sen wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vor gesehen sind, um im Lichtbogenweg zwischen den Elektroden ein magnetisches Feld zu erzeugen, das zum kürzesten Weg des Lichtbogenstromflusses zwi schen den Elektroden symmetrisch ist und ganz oder mit einer Komponente parallel zu diesem Stromweg gerichtet ist, zum Zwecke, das Wandern des Ansatz punktes der schmelzbaren Metallelektrode ein zuengen. UNTERANSPRÜCHE 1.
    Vorrichtung nach Patentanspruch, gekenn zeichnet durch Kraftlinien des Magnetfeldes mit einer Komponente quer zum kürzesten Weg des Licht bogenstromes zwischen den Elektroden (Fig. 2, 4, 5). 2. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Ende einer der Elektroden von solcher Form ist, dass die Normalen auf ihrer Ober fläche zu der zugehörigen, durch den Fusspunkt die ser Normalen gehenden Feldlinie geneigt sind, aus genommen im kürzesten Pfad des Lichtbogenstrom- flusses zwischen den Elektroden, und dass die Kraft linien des Magnetfeldes parallel zu dem kürzesten Weg verlaufen (Fig. 3, 6). 4.
    Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass beide Elektroden aus demselben durch die Lichtbogenwirkung zu verdampfenden Material bestehen (Fig. 6).
CH5983758A 1957-05-24 1958-05-23 Elektrische Lichtbogenentladungsvorrichtung CH364058A (de)

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