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.