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Die
Erfindung betrifft Plasmabrenner zur Materialbearbeitung wie Schweißen, Löten, Schneiden,
Oberflächenreinigung
oder Spritz-Beschichtung umfassend eine als Kathode wirkende erste
Elektrode, eine als Anode wirkende zweite Elektrode, einen Haltekörper für beide
Elektroden sowie Anschlüsse und Öffnungen
zur Zuführung
von Prozessgasen, Prozessmedien, Kühlmedien.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben solcher Plasmabrenner.
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Stand der Technik
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Plasmabrenner
nach dem Stand der Technik besitzen eine kegelförmige Kathode, die in einen Grundkörper aus
einem gut leitfähigen
Material, vorzugsweise Kupfer, eingesetzt ist. Die Kathode besteht
aus einem hochtemperaturfesten Material, vorzugsweise Wolfram oder
einer Wolfram-Verbindung. Der Grundkörper steht in gutem Wärmekontakt
mit einer aktiven Kühlung,
im allgemeinen Wasserkühlung.
Durch die intensive Kühlung
und die kegelförmige
Kathodenform ist der kathodische Plasmaansatz des Plasmabogens mit
einem sehr kleinen Radius auf der Kathodenspitze konzentriert. Diese
führt zu einer
hohen lokalen Temperatur im Plasmaspot und einer relativ niedrigen
mittleren Temperatur der restlichen Kathode. Im Plasmaspot wird
durch die hohe Stromdichte und die hohe Temperatur die Kathodenspitze
stark belastet. Sie kann lokal aufschmelzen und Schmelzperlen bilden.
Im Extremfall verdampft punktuell sogar das Material. Es bilden
sich Erosionskrater und die Oberfläche wird verformt. Der Plasmaansatz
wird unruhig und wechselt die Ansatzposition. Die Lebensdauer derartiger
Brenner ist somit durch die Kathode begrenzt.
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Da
der Wärmeeintrag
aus dem Plasma in der Ansatzfläche
umgesetzt wird, ist die Temperatur im konzentrierten Plasmaansatz,
verglichen mit der mittleren Temperatur der Kathode, wesentlich
höher.
Im Extremfall kann die Schmelztemperatur des Kathodenmaterials erreicht
werden.
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Eine
Lösung
aus der Technik ist die Verwendung von drei Kathoden (Triplex-Brenner),
die höhere
Symmetrie und bessere Standzeit aufweisen. Die notwendige, absolut
gleichmäßige Stromaufteilung auf
die drei Kathoden erfordert aber einen entsprechend erhöhten Netzteilaufwand.
Jede einzelne Teilkathode weist dabei trotzdem einen Spotansatz
für das
Plasma auf.
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Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Kathode für Plasmaanwendungen
so zu verbessern, daß die
Kathodenerosion verringert, die Standzeit der Kathode erhöht wird
und eine bessere Stabilität
des Plasmaansatzes erreicht wird.
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Lösung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß man
von der intensiven Kühlung der
Kathoden durch Wärmeleitung
absieht, die Kathode im wesentlichen durch Strahlung kühlen läßt und daß die Kathode
an dem, dem Plasma zugewandten Ende so ausgebildet ist, daß sich ein
diffuser Plasmaansatz einstellt.
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Beim
Zünden
des Plasmas stellt sich zunächst
bei geringem Strom ein konzentrierter Plasmaansatz an der Kathode
ein. Mit zunehmendem Strom wird, abhängig von den Kühl- und
Geometriebedingungen, die mittlere Temperatur der Kathode erhöht. Im einem
Temperaturfenster von 1000°C
bis 3000°C
stellt sich bei geeigneter Geometrie und Kühlung der gewünschte diffuse
Plasmaansatz ein. Die mittlere Temperatur der Kathode liegt dann
höher als bei
bisherigen Ausführungen
mit Spotansatz, die lokale Temperatur im Plasmaansatz ist jedoch
niedriger.
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Die
Kathode ist erfindungsgemäß so ausgeführt, daß sie zwischen
der Plasmaansatzfläche
und ihrer Befestigung einen hohen thermischen Widerstand aufweist
und gleichzeitig eine große
Ansatzfläche
für das
Plasma erlaubt.
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Die
Kathode weist dabei für
den diffusen Plasmaansatz eine erkennbar größere Ausdehnung auf als für Ausführungen
im Spot Mode, die im wesentlichen von einem punktförmigen Ansatz
ausgehen. Besonders vorteilhaft ist es für die Ausbildung eines diffusen
Plasmaansatzes, wenn ein großer
Kathodenoberflächenbereich
eine gleichmäßig hohe Temperatur
aufweist.
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Für die gesamte
Kathode wird gegenüber dem
Spotansatz eine höhere
mittlere Temperatur zugelassen, die zu einem diffusen Plasmaansatz
führt. Der
Plasmaansatz verteilt sich auf eine wesentlich größere Fläche und
die Temperatur der Kathode in der Ansatzfläche liegt dabei deutlich unter
der Spitzentemperatur des punktförmigen
Plasmaansatzes bei herkömmlichen
Kathoden.
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Günstig ist
es, wenn auch ein Teil des Volumens unter dem Oberflächenbereich
eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur
aufweist. Durch die im wesentlichen gleichmäßige Temperatur werden ungünstige Beeinflussungen
und Änderungen
der Materialzusammensetzung verhindert oder zumindest verzögert.
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Um
die Ausbildung eines diffusen Plasmaansatzes bei möglichst
allen Betriebszuständen
sicherzustellen, ist der Oberflächenbereich
vorzugsweise stufen- und kantenfrei – oder allgemeiner – ohne Unstetigkeiten
auszubilden. Eine derartige glatte Ausführung unterdrückt die
Tendenz der Gasentladung im Spot-Mode zu verharren.
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Die
Oberfläche
muß nicht
unbedingt eine ebene Fläche
sein, sondern kann konvex, konkav oder allgemein stetig gekrümmt sein.
Vorzugsweise ist die Fläche
symmetrisch bezüglich
der Längsachse
der Kathode.
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Da
die Kathode durch das vorbeistreichende Plasmagas zusätzlich gekühlt wird,
kann man die Kathode teilweise vom Befestigungspunkt ausgehend thermisch
isolieren und mechanisch stabilisieren. Dies kann beispielsweise
durch eine hochwarmefeste Keramik erfolgen.
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Im
Unterschied zu Lösungen
mit mehreren Kathoden erfordert eine zylinderähnliche oder ringförmige Kathode
mit gleichmäßigen diffusen
Plasmaansatz nur ein Netzteil und stellt die gewünschte Rotationssymmetrie für das Plasma
automatisch ein.
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Ausführung
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Hinsichtlich
der Form der Kathode wurden im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen
keine näheren
Angaben gemacht. So sind prinzipiell beliebige, insbesondere axial
symmetrische Formen denkbar.
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Eine
besonders, aufgrund ihrer Einfachheit, günstige Kathodenform sieht vor,
daß die
Kathode als zylindrischer Stift ausgebildet ist. Eine andere Ausführung besteht
aus einem stiftförmigen
Körper, der
zur Gasentladung hin einen vergrößerten Querschnitt
und damit gegenüber
dem Stiftquerschnitt eine vergrößerte Fläche aufweist.
Ein derartig vergrößerter Querschnitt
läßt sich
beispielsweise durch eine Verdickung erreichen.
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In
einer anderen einfachen Ausführung
weist die Kathode einen offenen zentralen Kanal vorzugsweise in
Richtung Anode auf, z. B. als Rohr oder als zylinderähnlicher
Körper.
Die Ansatzfläche
des kathodischen Plasmas kann dabei die, zur Anode gewandten Stirnfläche und
oder Teile der Seitenflächen der
zylinderähnlichen
Kathode umfassen.
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Wird
die Kathode so als zylinderähnlicher Körper ausgeführt, läßt sich
das Prozessgas, das Pulver zum Beschichten, ein Laserstrahl oder
Kombinationen davon weitgehend rotationssymmetrisch durch die Kathode
einbringen. Der Bearbeitungsprozeß wird damit unabhängig von
der relativen Bewegungsrichtung zwischen dem Plasmabearbeitungskopf
und dem Material.
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Vorzugsweise
hat der Oberflächenbereich, an
dem die diffuse Gasentladung ansetzt, in Relation zu der Querschnittsfläche der
Kathode eine nennenswerte große
Ausdehnung. Mindestens ist der Oberflächenbereich gleich der kleinsten
Querschnittsfläche
der Kathode.
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Die
Kathode soll einen glatten Oberflächenbereich zur Emission aufweisen.
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Da
durch die Kathode Strom fließen
muß, ist über den
elektrischen Anschluß und
die Befestigung zwangsweise eine Wärmeleitung gegeben. Die Kathode
wird so ausgebildet, daß die
Kühlung
der Kathode über
Befestigung und Anschluß durch
Wärmeleitung
gegenüber
der Strahlungskühlung
untergeordnet ist und der Querschnitt zum Stromtransport und zur
mechanischen Stabilität
gerade ausreichend ist. Im wesentlichen gestaltet man die Kathode
so, daß der
Wärmewiderstand
zwischen der Plasamansatzfläche
und Befestigung mindestens 10°C
pro Watt beträgt.
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Die
Kathode kann auch aus zwei oder mehreren Teilen zusammengesetzt
sein, wobei der dem Plasma zugewandte Teil aus einem hochtemperaturfesten
Material, z. B. Wolfram und der andere Teil zu Halten, Befestigen
oder zum Einstellen des thermischen Widerstandes aus einem anderen
elektrisch leitfähigen
Material besteht. Um eine gleichmäßige Oberflächentemperatur der Kathode
zu erreichen ist es zweckmäßig, in
die Kathode einen Kern aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise Kupfer,
einzubauen.
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Die
Temperatur für
den gewünschten
diffusen Ansatz ist vom Kathodenmaterial, den Dotierungen, den Diffusionsvorgängen im
Material, der Gasströmung
um die Kathode und der Kathodengeometrie abhängig. Es hat sich als besonders
günstig
erwiesen, wenn das Kathodenmaterial aus einem hochschmelzenden Metall,
z. B. Wolfram besteht, das zusätzlich
mit einem Material dotiert ist, das zu einer Verringerung der Austrittsarbeit
und damit zu einer Verringerung der Arbeitstemperatur führt.
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Als
Dotierungmaterialien können
die unterschiedlichsten Materialien in Frage kommen. Diese Materialien
können
zum Beispiel Oxide der seltenen Erde sein.
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Als
besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn das Elektrodenmaterial
mit 0,1 Gew% Lanthan dotiert ist. Die maximale Lanthan-Dotierung
sollte unter 5 Gew% liegen.
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Besonders
zweckmäßig ist
es dabei, wenn die Elektrodenarbeitstemperatur der Kathode niedriger
als ihre Schmelztemperatur ist. Verformungen, Abdampfen und Absputtern
werden dadurch verringert oder ganz verhindert.
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Ebenfalls
von Vorteil ist neben einer Dotierung zum Herabsetzen der Austrittsarbeit
eine zusätzliche
Dotierung zur Stabilisierung des Kristallgefüges.
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Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibungen sowie der zeichnerischen Darstellung.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
rotationssymmetrische Plasmakathode herkömmlicher Bauart. Die Kathode
wird gut gekühlt
und der Plasmabogen setzt lokal konzentriert im sogenannten Spot
an.
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2 ein
Ausführungsbeispiel
für zylinderförmige Kathode.
Der Plasmabogen setzt am ganzen Umfang der Stirnfläche und
teilweise noch an der Mantelflächen
an.
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3 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Kathode mit verdicktem Ende.
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4 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
hohle, rohrförmige
Kathode. Der Plasmabogen setzt am ganzen Umfang der Stirnfläche und
teilweise noch an den beiden Mantelflächen an.
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5 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Kathode mit verdicktem Ende und zusätzlicher thermischer Isolierung
am Befestigungspunkt.
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6 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
hohle, rohrförmige
zusammengesetzte Kathode. Der dem Plasma zugewandte Teil ist aus
hochtemperaturfestem, dotierten Material.
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7 einen
Plasmabrenner mit stiftförmiger Kathode
und verdicktem Ende. Das Werkstück
funktioniert als Anode.
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8 ein
Ausführungsbeispiel
für einen Plasmabrenner
mit hohler zylinderförmiger
Kathode und diffusem Plasmaansatz und axialer Arbeitsgaszuführung
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9 ein
Ausführungsbeispiel
für einen Plasmabrenner
mit hohler zylinderförmiger
Kathode und diffusem Plasmaansatz, axialer Arbeitsgaszuführung und überlagerter
axialer Zuführung
von Laserstrahlung
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10 ein
Ausführungsbeispiel
für einen Plasmabrenner
mit hohler zylinderförmiger
Kathode und diffusem Plasmaansatz und axialer Pulvereindüsung zum
Beschichten von Werkstücken
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11 ein
Ausführungsbeispiel
für einen Plasmabrenner
herkömmlicher
Bauart mit seitlicher Pulvereindüsung
zum Beschichten von Werkstücken
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12 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Kathode
mit anpaßbarem
thermischen Widerstand und Kupferkern zum Temperaturausgleich
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13 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
zylinderförmige
Kathode mit diffusem Plasmaansatz
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14 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
zylinderförmige
Kathode mit diffusem und verteiltem Plasmaansatz
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Kathode 1 in 1 aus hochtemperaturfestem Material
eines herkömmlichen
Plasmabrenners wird von einem gut wärmeleitenden Grundkörper 2 gehalten.
In einigen Fällen
wird der Grundkörper
noch zusätzlich
wasssergekühlt.
Durch die relativ kalte Kathode schnürt sich der Plasmaansatz 3 des Plasmas 4 auf
eine relative kleine Fläche
der Kathodenspitze zusammen. Dies führt im Betrieb zu einer lokalen Überlastung
und den damit verbundenen Korrosionserscheinungen.
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Eine
vorteilhafte Ausführung
einer Kathode mit diffusem Plasmaansatz besteht im einfachsten Fall
aus einem zylindrischen Stift 5 geeigneter Länge wie
in 2 dargestellt. Die mittlere Temperatur dieser
Kathode 5 ist, verglichen zu der mittleren Temperatur der
Kathode 1 nach 1, wesentlich höher aber
die lokale Temperatur im Plasmaansatz ist niedriger.
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Um
den Plasmaansatz noch zu vergrößern, bildet
man den Stift 6 mit verdicktem Ende aus, 3.
Von Vorteil ist, daß mit
der Größe des verdickten
Endes auch die Größe des Plasmaansatzes
eingestellt werden kann. Die Kopfform ist dabei nicht durch 3 festgelegt,
sondern kann verschiedene Formen wie Zylinder, Lanzette oder Kugel
annehmen. Vorteilhaft ist dabei eine zylindersymmetrische Form.
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Eine
weitere vorteilhafte Version der Plasmakathode besteht aus einem
relativ langem Rohr 7 nach 4, bei dem
der Plasmaansatz auf der gesamten, der Anode zugewandten Stirnfläche und zum
Teil auf der benachbarten Zylinderfläche erfolgt.
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Eine
andere beispielhafte Ausführung
einer stiftförmigen
Kathode 6 mit verdicktem Ende zeigt 5. Um die
Wärmeabfuhr
durch das vorbeistreichende Gas zu kompensieren, kann die Kathode ausgehend
von der Befestigung mit einer thermischen Isolierung 8 versehen
werden. Diese kann gleichzeitig auch noch dazu dienen, die mechanische Stabilität zu erhöhen. Das
Material für
die thermische Isolierung kann z. B eine hochtemperaturfeste Keramik
oder Quarz sein.
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Die
Kathode muß nicht
vollständig
aus hochtemperaturfestem Material bestehen. Sie kann aus einem Teil 10 in 6,
der den Wärmewiderstand bestimmt
und aus der eigentlichen Kathode 9 aus hochtemperaturfestem
Material bestehen. Bei allen Ausführungen kann die Kathode aus
einem den Wärmewiderstand
bestimmenden und aus einem hochtemperaturfesten Teil bestehen.
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7 zeigt
in einem Plasmabrenner den Einsatz einer stiftförmigen Kathode 3 mit
verdicktem Ende anstelle einer Kathode der bisherigen Ausführung. Zunächst wird
zwischen Kathode 3 und der Plasmadüse 11, die als zunächst als
Anode arbeitet ein Hilfslichtbogen (Pilotbogen) gezündet, der
dann das Arbeitsplasma 4 zwischen Kathode 3 und
Werkstück 14,
der eigentlichen Anode startet. Der Zwischenraum 12 zwischen
Kathode 3 und der Düse 11 bildet
den Zuführungskanal
für das
Plasmagas. Über den
Kanal 13 zwischen der Düse 11 und
einer weiteren Umhüllung 15 kann
ein Schutzgas 13 zugeführt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wie in 8 gezeigt
ist, die Kathode 5 als zylinderähnlichen Körper auszubilden. Zusätzlich zu
dem Plasmagas (durch Kanal 12) läßt sich ein weiteres Gas oder
eine Gasmischung (durch Kanal 16) zuführen.
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Zum
Beispiel wird zum Reinigen von Oberflächen vor dem Löten ein
Ringplasma benutzt. Dieses ringförmige
Plasma läßt sich
besonders einfach durch eine hohle Kathode in Verbindung mit einer ringförmigen Anode
erzeugen.
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Die
zylinderähnliche
ausgeführte
Kathode erlaubt es, für
Schweiß-
oder Schneidanwendungen das Plasmaverfahren mit dem Laserstrahlverfahren zu
kombinieren. Dies ist beispielhaft in 9 gezeigt. Der
Laserstrahl 17 wird durch hohle Kathode 5 geführt und
auf das Werkstück 14 fokussiert.
Die Plasmabildung auf dem Werkstück
durch den Laserstrahl kann als Initialzündung für das Plasma 4 zwischen Kathode 5 und
dem Werkstück 14 als
Anode dienen.
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Kanten
und andere Unregelmäßigkeiten
des anodischen Werkstücks 14 lenken
den Anodenansatz des Plasmas auf dem Werkstück 14 von der gewünschten
Position ab. Der Fokus eines ausreichend starken Lasers kann das
Plasma im Fokus führen und
konzentrieren.
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Durch
die hohl ausgeführte
Kathode läßt sich,
nach 10, zur Plasmabeschichtung Pulver 20 axial
symmetrisch eindüsen.
Beim Plasmaspritzen sind für
einen gleichmäßigen und
reproduzierbaren Auftrag longitudinale Gas- und Pulverzuführungen
von Vorteil.
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Die
Anode kann analog zur Kathode ebenfalls aus zwei Materialien zusammengesetzt
sein. Der dem Plasma zugewandten Teil 18 besteht vorzugsweise
aus einem hochwärmefesten
Material, z. B. Wolfram, der dem Plasma abgewandten Teil 19 aus
vorzugsweise gut wärmeleitendendem
Material, z. B. Kupfer. Vorteilhaft ist es die Anodenform strömungstechnisch
zu optimieren. Die Anode kann wassergekühlt sein.
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11 zeigt
das Prinzip eines herkömmlichen
Brenners zur Pulverbeschichtung. Herkömmliche kegelförmige Kathoden
arbeiten mit einem mehr oder minder punktförmigen Plasmaansatz. Die Pulverzuführung 20 erfolgt
quer zum Plasma durch ein Rohr 22. Dies führt zu Wirbel
und starken Oxydationsvorgängen
im Plasma. Die Standzeit der Kathode ist begrenzt.
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12 zeigt
ein Beispiel für
eine geänderte Standardkathode
im Sinne der Erfindung. Über
Querschnitt und Länge
der Verjüngung 23 läßt sich
der thermische Widerstand einstellen. Der Kern 24 mit hoher
Wärmeleitung,
z. B. Kupfer, in der Kathode 1 sorgt für einen Temperaturausgleich
und damit für eine
gleichmäßige Temperatur
auf der Kathodenoberfläche.
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13 zeigt
ein Beispiel für
eine zylinderähnliche
Kathode 7. Der Plasmaansatz 3 erfolgt an der,
der Anode zugewandten gerundeten Stirnfläche des Zylinders und teilweise
noch an Flächenbereichen
hinter der Stirnfläche
im Innern und außen am
Zylinder im vollen Winkelbereich von 360° bezüglich der Symmetrieachse des
Zylinders. Der Plasmaansatz kann aufgrund unterschiedlicher Gasströmung außen am Zylinder
und im Innern des Zylinders unterschiedlich ausgebildet sein. Bei
unterschiedlich schneller Gasströmung
wird die Kathodenfläche
mit stärkerer
Strömung
stärker
gekühlt
und die Plasmaansatzfläche
wird kleiner.
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Bei
gleichmäßiger Gasströmung rings
um die Kathode wird sich die Plasmaansatzfläche am vollen Winkelbereich
von 360° einstellen.
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14 zeigt
ein Beispiel für
eine zylinderähnliche
Kathode 7 mit zwei gegenüberliegendem Plasmaansätzen außen am Zylinder.
Der Plasmaansatz kann sich auch auf mehrere Winkelbereiche verteilen.
Dies kann z. B. durch unterschiedliche Gasströmung bewirkt werden. Ebenso
können
sich im Inneren mehrere Winkelbereiche einstellen.