DE1244627B

DE1244627B - Plasma-Spritzvorrichtung

Info

Publication number: DE1244627B
Application number: DEM52929A
Authority: DE
Inventors: Walter A Siebein; Anthony J Rotolico
Original assignee: Metco Inc
Current assignee: Metco Inc
Priority date: 1961-07-14
Filing date: 1962-05-21
Publication date: 1967-07-13
Also published as: US3145287A; GB951850A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int.Cl.: B44d

DEUTSCHES PATENTAMT

Deutsehe Kl.: 75 c - 22/02

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1244 627

Aktenzeichen: M 52929 VI b/75 c

1244627 Anmeldetag: 21. Mai 1962

Auslegetag: 13. Juli 1967

Plasma-Spritzvorrichtimg

Die Erfindung betrifft eine Plasma-Spritzvorrichtung mit einer nichtabschmelzenden, fest angeord- ""^r^t TT '' ~ "
neten» stabförmigen, angespitzten und mit ihrem vor- Anmelder:
deren Ende in das konische Eingangsende einer düsen- Metco Inc.,

förmigen Elektrode hineinragenden Elektrode, zwi- 5 Westbury, Long Island, N. Y, (V, St A.)
sehen welchen ein elektrischer Lichtbogen gezündet Vertreter:

und aufrechterhalten wird und ein das Plasmabildendes Dr.-Ing. A. v. Kreisler, Dr.-Ing. K. Schönwald,
Gas in Kontaktberührung mit dem Bogen als auch pr.-In* Th. Meyer und Dr. J. F. Fues
durch die düsenförmige Elektrode hindurchgeführt ist. _B ,^ö„ ■L.., -ι τ\ ■u ' u ' _π · j , . , . °, . _ΤΓ . ^& Patentanwälte, Koln 1, Dexchmannhaus
Bei den bisher bekannten Vorrichtungen dieser ίο _m ; . " ;

Art, die als Flammspritzpistolen bekannt sind und ^ls Erfinder benannt:

entweder als Schweißbrenner zum Schneiden oder Walter A Siebein

Schweißen von Metallen benutzt werden auch zur _Q ·_Α, _τ „„Λ„,„„ι x_T ν,

Durchführung einer Oberflächenbehandlung, sind Sm Ätown, Long Island₅ N-Y.;

grundsätzlich zwei verschiedene Ausführungsarten zu 13 Anmony j.Kotoiico,

unterscheiden. Bei der einen Art von Flammspritz- Lynbrook, Long Island, N. Y. (V. St. A.)

Pistolen steht der angespitzten Elektrode als Gegen- Beanspruchte Priorität:

elektrode die metallische Oberfläche des zu be- tr ο* λ ·ι λα τ ι· _1μ ,_10i:o»_m

arbeitenden Werkstückes gegenüber. Infolgedessen V- St. v. Amerika vom 14. Juh 1961 (126 827)

werden der heiße Plasmastrahl und auch der Licht- 20
bogen durch die Mittelachse einer Düsenöffnung hindurch gegen das Werkstück gerichtet, Bei der anderen Es ist zwar bekannt, die Düsenquerschnitte so zu Ausführungsart dient nicht das Werkstück, sondern bemessen, daß im Zündbereich des heißen Gasdie düsenförmige Öffnung als Gegenelektrode, so daß Strahles eine Querschnittsverengung und damit eine sich ein freier Plasmastrahl allein gegen die Werk- 25 Venturiwirkung eintritt, so daß eine vorübergehende Stückoberfläche richtet. Beschleunigung der Strahlgeschwindigkeit in diesem

Bei der zuletzt genannten Art von Flammspritz- Bereich die thermische Belastung der Elektrodenpistolen, die man auch als nicht übertragende Vor- oberfläche vermindert, jedoch sind auch dieser Maßrichtungen bezeichnet, wird also der Lichtbogen nähme dadurch Grenzen gesetzt, daß auf jeden Fall zwischen einem Elektrodenpaar innerhalb der Spritz- 30 eine Wirbelbildung vermieden werden muß.
pistole selbst erzeugt und damit nicht axial symme- Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe irisch geführt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß gestellt, die Leistungsfähigkeit einer Flammspritzdie Intensität des freien Plasmastrahles vom Abstand pistole mit freiem Plasmastrahl noch erheblich zu der Spritzpistole gegenüber dem Werkstück unab- steigern bzw. bei gegebener Leistung den Elekhängig ist und damit vorzugsweise auch zum Auf- 35 trodenabbrand wirksam herabzusetzen. Zur Lösung sprühen eines pulverförmigen Plattierungsmaterials dieser Aufgabe geht die Erfindung von dem Geverwendet werden kann. Demgegenüber besteht je- danken aus, die aus Strömungsgründen erforderliche doch der erhebliche Nachteil, daß die notwendiger- Spitze dieser Elektrode so zu gestalten, daß deren Beweise unsymmetrische Führung des Lichtbogens einen triebstemperatur reduziert und dadurch das Auferhöhten Elektrodenverschleiß zur Folge hat. Gerade 40 treten von Verbrennungsrückständen vermieden wird, für diesen Zweck, das mitgeführte Pulvermaterial die den gleichmäßigen Stromübergang stören und über dessen Schmelztemperatur hinaus zu erhitzen infolgedessen dem weiteren Abbrand Vorschub und zugleich die zu plattierende Werkstückober- leisten. Die gestellte Aufgabe wird bei einer Plasmafläche ohne Mitwirkung der elektrischen Licht- spritzvorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gebogenenergie aufzuheizen, ist eine verschleißsparende 45 löst, daß das vordere Ende der Stabelektrode aus zwei Elektrodenausbildung außerordentlich wichtig. Auch unterschiedlich abgeschrägten Elektrodenabschnitten bei Verwendung besonders temperaturbeständiger besteht, wobei die Abschrägung an der Spitze bezogen Elektrodenwerkstoffe ist nämlich deren Abbrand so auf die Achse der Stabelektrode größer als diejenige groß, daß man entweder nur mit reduzierten Licht- des sich unmittelbar anschließenden Elektrodenabbogenenergien arbeiten kann, oder nur im inter- 50 schnittes ist, und daß die beiden Elektrodenmittierenden Betrieb unter Einlegung regelmäßiger abschnitte innerhalb des konischen Eingangsendes Abkühlpausen. der düsenförmigen Elektrode angeordnet sind.

Durch die vorgeschlagene Elektrodengestaltung ergibt sich eine überraschende Leistungssteigerung ohne Elektrodenabbrand bzw. die Möglichkeit, über längere Zeiten kontinuierlich zu arbeiten, da die Lebensdauer der angespitzten Elektrode nicht mehr durch den Abbrand an deren Stirnseite begrenzt wird.

Beim Gebrauch der Vorrichtung wird die Spitze 18 mit der Elektrode, an der der Bogen ansetzt, tatsächlich trotz der Wasserkühlung angeschmolzen. Wenn dieser Schmeizmetallteil fehlerhaft vom Gasfluß beeinflußt oder abgeblasen wird, zerklüftet sich die Spitze bzw. brennt aus, und es ist in nachteiliger Weise erforderlich, nach einer gewissen Betriebszeit diese zu ersetzen. Es ist ersichtlich, daß die Gestalt und die Abmessungen der seitlichen benachbarten Teile der Stabelektrode und der Düse derart, daß ein ringförmiger Gasfiußkanal von sich verringernder Querschnittsfläche bis auf einen Minimalwert und durch das nachfolgende Ansteigen dieses Querschnittes in Stromrichtung durch die Düse in vorteilhafter Weise Fluß- und Druckbedingungen geschaffen werden, welche das Zerklüften und Ausbrennen der Elektrode stark herabsetzen, die Lebensdauer der Düse aber erhöhen, so daß die Vorrichtung auch bei höherer elektrischer Leistung länger arbeiten kann, ohne daß Elektroden und Düsen ausgewechselt zu werden brauchen.

Die doppelte Abschrägung der Stabelelektrodenspitze ermöglicht um sie herum Strömungsverhältnisse, welche die Betriebsdauer erhöhen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Plasmaspritzvorrichtung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Plasmaspritzpistole,

F i g. 2 die Vorderansicht zu F i g. 1 und

F i g. 3 die entsprechende Ansicht von rückwärts, sowie

F i g. 4 einen Vertikalschnitt einer abweichenden Düsenelektrode für die Vorrichtung der F i g. 1.

Aus den F i g. 1 und 3 ist ersichtlich, daß die eigentliche Spritzpistole aus drei Teilabschnitten besteht, nämlich aus dem vorderen Abschnitt 1, dem hinteren Abschnitt 2 und dem mittleren Abschnitt 3. Die vorderen und rückwärtigen Abschnitte 1 und 2 bestehen aus Metall, z. B. aus einer Kupferlegierung, aus Stahl, Aluminium, während der mittlere Abschnitts aus elektrisch isolierendem, synthetischem Kunststoff besteht, z. B. aus Polyamid, Phenolharz, Polyäthylen.

Die Düsenelektrode 4 aus Kupfer oder einem ähnlichen, leitenden Werkstoff ist am vorderen Abschnitt 1 befestigt. Die Düse ist in eine entsprechende Öffnung oder Bohrung in diesem Abschnitt eingepaßt und durch einen Haltering 5 fixiert, wobei letzterer am Umfang ein Außengewinde 6 aufweist, welches ins Innengewinde im Körper des Abschnittes 1 eingeschraubt ist. Abdichtungen 7 und 8 dienen zur Abdichtung der Düse in bezug auf das strömende Medium. Die Düse ist aus dem Vollen ausgedreht, weist eine Einmantelausführung auf und besitzt eine Mittelbohrung 9, welche an beiden Enden nach außen abgeschrägt ist. An ihrem Auslaßende ist sie mit einem seitlichen Einlaßkanal 10 für das schmelzbare Pulver versehen, mit welchem das Pulverzufuhrröhrchen 11 verbunden ist. Ferner ist die Düse mit aus einem Stück bestehenden Versteifungs- und Kühlrippen 12 versehen.

Der mittlere Abschnitt 2 weist eine fluchtend zur Düse verlaufende zentrale öffnung auf, welche den Elektrodenhalter 13 aufnimmt. Dieser wird durch eine Schraubverbindung 14 fixiert und durch Dichtringe 15 und 16 abgedichtet. Es ist eine Stabelektrode vorhanden, welche aus dem hohlen Elektrodenkörper 17 (aus Kupfer) und der Elektrodenspitze z. B. aus Wolfram mit Thorzusatz 18 besteht. Durch den Gewindeflansch 19 ist die Stabelektrode an dem ίο vorderen Ende des Elektrodenhalters 13 befestigt. Zwischen Elektrode und Elektrodenhalter wird eine in bezug auf das strömende Medium dichte Verbindung durch den Ring 20 geschaffen. Die Elektrodenspitze kann an den hohlen Elektrodenkörper 17 in an sich bekannter Weise, z. B. durch eine Silberverlötung, befestigt werden.

Der Mittelabschnitt 3 kann mit dem Vorderabschnitt 1 durch Maschinenschrauben befestigt werden, wobei der hintere Abschnitt 2 in ähnlicher so Weise an den Mittelabschnitt 3 befestigt werden kann. In abweichender Weise kann der hintere Abschnitt 2 aber unmittelbar durch verlängerte, isolierte Schrauben an den Vorderabschnitt 1 befestigt werden, so daß der Mittelabschnitt 3 zwischen diesen eingeklemmt wird. Die Abdichtung der Teile erfolgt mit Hilfe der Ringe, wie auch zeichnerisch dargestellt. Es ist ferner ein kanalartiger Stutzen 21 im vorderen Abschnitt 1 für das Kühlwasser vorhanden, wobei letzteres die Düse umfließt. Ein Kanal 22 des Abschnittes 3 ist mit dem Stutzen 21 verbunden und verläuft in einem Verlängerungskanal 23 des hinteren Abschnittes 2. Ein weiterer, V-förmiger Kanal 24 verbindet den hohlen Innenraum der Stabelektrode 17 mit dem Kanal 23 und mit dem Ausflußkanal25, welcher ebenfalls im hinteren Abschnitt 2 vorhanden ist.

Eine Anzahl von Sacklöchern 26, welche mit einem z. B. 40° betragenden Seitenabstand eingebohrt sind, sind mit dem Stutzen 21 in Verbindung und bewirken eine zusätzliche Abkühlung der Düse 4. Ferner ist im mittleren Abschnitt 3 eine Einlaßöffnung 27 vorhanden, welche mit einem, in diesem Abschnitt vorhandenen und mit die Stabelektrode 17 umgebenden Ringraum 28 in Verbindung steht. Weiter ist ein Aufhänglappen 29 mit dem Abschnitt 1 über Schrauben 30 (F i g. 3) verbunden, ebenfalls ein Handgriff 31 aus geeignetem Isolierwerkstoff, z. B. aus synthetischem Harz, z. B. aus Kunststoff verstärkt durch Glasfasern, Phenolharz. Mittels Schrauben 32' ist der Griff lösbar am hinteren Abschnitt 2 befestigt.

Ein Hohlanschluß 32 für ein wassergekühltes, elektrisches Kabel ist im Abschnitt 1 mit dem Stutzen 21 verbunden und ein zweiter Anschluß 33 für ein wassergekühltes, elektrisches Kabel ist, in Verbindung mit dem Stutzen 25, am hinteren Abschnitt 2 vorhanden. An der Öffnung 27 des Mittelabschnittes 3 ist ein Anschlußstück 34 für eine Gasleitung vorgesehen.

Die Elektrodenspitze 18 ist zweimal abgeschrägt, d. h. hat ein abgeschrägtes Teil 35 und ein abgeschrägtes Teil 36, wobei letzteres in die Spitze ausläuft. Die Abschrägung am Teil 36 ist steiler ausgeführt als am Teil 35, d. h., sie weist einen größeren Schrägwinkel zur Elektrodenachse als das Teil 35 auf. Die ganze Spitze der Stabelektrode 17 erstreckt sich in die Eingangsöffnung 37 des Düsenkanales 9 hinein. Das Düseneingangsende 37 ist unter einem

Claims

Winkel abgeschrägt, welcher im wesentlichen dem Abschrägungswinkel des Teiles 35 der Stabelektrodenspitze 18 entspricht, und sowohl der zylindrische als auch der abgeschrägte Teil 36 der Stabelektrode erstrecken sich in den abgeschrägten Kanalteil der Düse hinein. Der Stab und die Elektrode, entsprechend ihrer Gestalt und ihren Abmessungen, bilden somit einen Ringkanal für das fließende Gas, wobei der Querschnitt der Strömungsfläche auf einen minimalen Wert gegenüber dem abgeschrägten Teil 35 der Stabelektrode abfällt, und dann vergrößert sich der Querschnitt der Flußfläche in einem Bereich, welcher dem abgeschrägten Teil 36 der Stabelektrode benachbart ist. Dieser ringförmige Kanal für das strömende Gas bildet deshalb in der Düseneingangsöffnung und um die Elektrodenspitze herum die Form eines Venturirohres, dessen Zweck nachfolgend beschrieben wird.

Eine elektrische Stromquelle, z.B. ein handelsüblicher Schweißgenerator, ist mit den wassergekühlten elektrischen Kabeln verbunden, so daß der elektrische Strom über den Anschluß 33 durch den Elektrodenhalter 13 zur Elektrode 17 und über die Spitze dieser Elektrode 17 in Form eines Bogens zur Düsenelektrode 4 übergeht, wobei der Stromschluß durch den Anschluß 32 zum Schweißgenerator erfolgt. Ein das Plasma bildendes Gas, z. B. Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff od. dgl., wird von einer geeigneten Druckquelle über den Anschluß 34 in den die Spitze der Elektrode 18 umgebenden Ringraum 28 geleitet und fließt von hier weiter durch den Ringkanal zwischen Elektrodenspitze 18 und dem Schrägteil 37 der Düse in die Düse hinein und von hier wieder heraus.

Zwischen der Elektrodenspitze 18 und der Wand der Düse 4 wird in an sich bekannter Weise ein Bogen gezündet, indem eine Hochfrequenzwechselstromquelle zwecks Zündung an die elektrischen Kabel, die mit den Anschlußstellen 33 und 34 verbunden sind, angelegt wird.

Nach Zündung des Bogens mit Wechselstrom wird der Bogen durch den Schweißgleichrichter mit Gleichstrom gespeist und aufrechterhalten. Das Plasma bildende, vom Ringraum 28 durch die Düse fließende Gas bildet eine Umhüllung um den elektrischen Bogen, schnürt diesen ein und zwingt diesen, einen Weg entlang der Düse einzunehmen. Indem der Bogen so eingeschnürt und verlängert wird, wird das Gas selbst in den Plasmazustand übergeführt; es verläßt den Bogen als auch die Düse als ein freier Plasmastrahl.

Das von der Flamme zu verspritzende Material, z. B. Metallpulver oder Keramikstoffe, werden als ein kleiner Volumenanteil einem Trägergas, z. B. einem interten Gas, wie Stickstoff, Helium, Argon od. dgl. oder sogar der Luft, durch eine an sich bekannte Trichtervorrichtung über einen Anschluß 11 und Kanal 10 zugegeben und in den erweiterten Auslaß der Düse 4 zugeführt. Das Pulver wird vorzugsweise hinter einem Punkt eingespritzt, an welchem der Bogen gegen die Innenwand der Düse anstößt; das Pulver wird in der Hitze erweicht und zu der zu überziehenden Oberfläche durch den aus der Düse austretenden freien Plasmastrahl getrieben.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel weist die Düse eine Gesamtlänge von 32,6 mm auf, wobei der kleinste Durchmesser des zentralen Teiles 5,1mm beträgt. Die Länge des abgeschrägten Einlaßteiles kann 8,18 rom betragen und einen Winkel von 20° 45' zur Düsenachse haben. Die Elektrodenspitze 18 erstreckt sich in die Düsenöffnung um 8,9 mm herein und kann einen Maximaldurchmesser von 8,925 mm haben. Der erste abgeschrägte Teil kann unter einem Winkel von 18°, der Teil 36 um einen Winkel von 49° zur Elektrodenachse geneigt sein. Die Fläche des Ringraumes zwischen der Elektrodenspitze 18 und der benachbarten Wand des abgeschrägten Teiles 37 kann 23,9 mm² am Eingangsende betragen, wobei sie sich auf 10,3 mm² am entgegengesetzten Ende des abgeschrägten Teiles 35 der Elektrode verengt und sich wieder an dem dem abgeschrägten Teil 26 gegenüberliegenden Bereich auf 15,5 mm² erweitern.

Die Düse gemäß F i g. 1 ist besonders für Metallpulver geeignet, indem die Achse des in die Düse geführten Kanals 10 zur Düsenöffnung, z. B. um einen Winkel von 5°, geneigt ist.

Wenn ein keramisches Pulver verspritzt wird, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Achse dieses Eingangskanals zum Einlaßende der Düse, z. B. um 10°, zu neigen. Hier ist der Düsenkörper selbst mit 4', der hohle Düsenteil mit 9', der seitliche Einführungskanal für das Pulver mit 10', die versteifenden und kühlenden Rippen mit 12 und die zur Kühlung dienenden Sacklöcher mit 26' bezeichnet.

Die Düse gemäß F i g. 1 kann zwecks Austausch in leichter Weise entfernt werden, indem der Haltering 5 ausgeschraubt wird, die Düse herausgezogen und eine unterschiedliche Düse in die aufnehmende Stelle eingeschoben wird. Diese neue Düse kann z. B. diejenige gemäß F i g. 4 sein; nach Einführung der Düse wird der Haltering 5 wieder fest angezogen.

Patentanspruch:

Plasmaspritzvorrichtung mit einer nichtabschmelzenden, fest angeordneten, stabförmigen, angespitzten und mit ihrem vorderen Ende in das konische Eingangsende einer düsenförmigen Elektrode hineinragenden Elektrode, zwischen welchen ein elektrischer Lichtbogen gezündet und aufrechterhalten wird und ein das Plasma bildendes Gas in Kontaktberührung mit dem Bogen als auch durch die düsenförmige Elektrode hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende der Stabelektrode aus zwei unterschiedlich abgeschrägten Elelctrodenabschnitten (35, 36) besteht, wobei die Abschrägung an der Spitze (36), bezogen auf die Achse der Stabelektrode, größer als diejenige des sich unmittelbar anschließenden Elektrodenabschnitts (35) ist, und daß die beiden Elektrodenabschnitte innerhalb des konischen Eingangsendes (37) der düsenförmigen Elektrode (4) angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 863 190;

französische Patentschriften Nr. 1247 024, 1 219 762;

Welding and Metal Fabrication, Juli 1955, S. 288/289.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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