DE1440618C - Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastromes hoher Temperatur - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen Es ist ein Lichtbogenbrenner bekannt für die Vereines Plasmastromes hoher Temperatur in einem wendung von nebeneinander angeordneten Hochelektrischen Lichtbogenbrenner, der eine mittlere Spannungselektroden. Das zu erhitzende Gas wird Düse und eine einzelne Stabelektrode aufweist, die um jede Elektrode geführt, so daß es die Elektrode nahe dem Düseneintritt und in axialer Ausrichtung 5 wie eine Hülle umgibt und sie gleichzeitig kühlt, zu diesem angeordnet ist, so daß ein ringförmiger Außerdem wird zusätzliches Gas durch einen Ring-Eintrittsdurchgang gebildet ist. spalt hindurch in den Reaktionsraum eingeführt.

Solche Lichtbogenbrenner verwenden grundsätz- Dieses Gas trifft direkt auf die Elektroden auf und

lieh einen elektrischen Lichtbogen zur Erhitzung ist quer zu dem Gasstrom um jede Elektrode ge-

eines Gasstromes. Das Gas richtet den Lichtbogen io richtet, was zur Bildung einer turbulenten Strömung

längs der Achse eines Durchganges aus, und das Gas führt.

wird seinerseits durch den Lichtbogen auf außer- Es ist auch ein Lichtbogenbrenner mit einer einordentlich hohe Temperaturen erhitzt. In manchen zelnen stabförmigen Elektrode und einer Düse beFällen, z. B. bei der Erhitzung leitender Materialien, kannt, bei dem das durch eine Anzahl von Kanälen wie Metallen, geht der Lichtbogen durch den Durch- 15 hindurchgehende Gas direkt auf die stabförmige gang oder eine Düse hindurch und trifft auf das Elektrode bzw. ihre Hülle auf trifft, so daß turbulente Werkstück auf. In anderen Fällen trifft der Licht- Strömung erhalten wird.

bogen auf die Wandung des Durchganges auf, und es Weiterhin ist ein elektrischer Lichtbogenbrenner

wird nur das erhitzte Gas aus der Düse ausgestoßen. mit abschmelzender Elektrode zum Schutzgas-

Bisher sind die Bemühungen in der Entwicklung 20 schweißen bekanntgeworden. Das Schutzgas wird zu-

von derartigen Lichtbogenbrennern auf die Erzeu- nächst in einen ringförmigen Eintrittsdurchgang des

gung von Plasmaströmen hoher Geschwindigkeit ge- Brennerkopfes eingeführt, in dem ein Beruhigungs-

richtet gewesen. Wenn ein Brenner zum Schneiden schirm angeordnet ist. Von dort aus wird das Schutz-

von Metallen verwendet wird, ist ein Plasmastrom gas zur Bildung eines laminaren Strömungszustandes

hoher Geschwindigkeit notwendig, um das geschmol- 25 in gleichachsig zur konzentrisch angeordneten Elek-

zene Metall aus dem Bereich des Brennschnittspaltes trode verlaufende Strömungsdurchgänge weitergelei-

zu verdrängen. Wenn ein Brenner für Metallisierungs- tet. Diese Strömungsdurchgänge besitzen eine Länge,

vorgänge verwendet wird, bei denen geschmolzene die das zwanzig- bis fünfzigfache des Durchgangs-

Metalltröpfchen gegen eine Fläche gerichtet werden, durchmesser^ beträgt. Das Schutzgas strömt in lami-

sind Plasmaströme hoher Geschwindigkeit ebenfalls 30 narem Zustand entsprechend einer Reynold-Zahl von

oft erforderlich. kleiner als 2200.

Während zahlreiche Vorgänge einen Plasmastrom Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein hoher Geschwindigkeit bzw. hoher kinetischer Verfahren zum Erzeugen eines Plasmastromes sehr Energie erfordern, wie in den vorstehend beispiels- hoher Temperatur, jedoch niedriger Geschwindigweise angeführten Fällen, können andere Vorgänge 35 keit und damit geringer kinetischer Energie zu nur unter Verwendung von Plasmaströmen durch- schaffen, wie er beispielsweise beim Schmelzgeführt werden, die eine geringe kinetische Energie schweißen benötigt wird.

haben. Beispielsweise muß beim Schmelzschweißen Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

der Plasmastrom ein genügend kleines Moment gelöst, daß ein Strom von plasmabildendem Gas in

haben, damit eine nachteilige Störung der Schweiß- 40 den ringförmigen Eintrittsdurchgang ohne direktes

masse verhindert wird. . Auftreffen des Gases auf die Elektrode und die Düse

Ein experimentelles Forschungsprogramm, das auf und in laminarem Strömungszustand iri die Düse ent-

die Entwicklung eines Brenners zur Erzeugung eines sprechend einer Reynold-Zahl von kleiner als 2200

Plasmastromes geringer Geschwindigkeit gerichtet eingeführt wird.

war, hat zu den Prinzipien der vorliegenden Erfin- 45 Durch die Erfindung wird nicht nur ein Plasmadung geführt. Es ist gefunden worden, daß solche strom geringer kinetischer Energie erhalten, sondern erwünschten Plasmaströme geringer Geschwindigkeit es ist unerwartet gefunden worden, daß die Tempedurch die Verwendung laminarer Gasströmung er- raturen, auf die das Plasma erhitzt werden kann, viel halten werden können. Unter laminarer Strömung höher sind, als sie bisher erzielt werden könnten, soll eine Gasströmung verstanden werden, die im 50 Ferner ist im Betrieb der Geräuschpegel beträchtlich wesentlichen frei von Wirbelbewegung ist. Eine herabgesetzt. Während der Geräuschpegel unter übsolche Strömung liefert aus Gasmolekülen bestehende liehen Strömungsbedingungen 115 db beträgt, wird Schichten, die sich sämtlich in im wesentlichen par- der Geräuschpegel unter Bedingungen einer völlig allelen Bahnen bewegen; daher der Ausdruck laminaren Strömung gemäß der Erfindung auf 80 db laminar. Es ist wesentlich, daß Bewegungslinien, die 55 herabgesetzt.

radiale Komponenten haben (eine Folge von Wirbe- Die Erfindung umfaßt auch verschiedene Vorrich-

lung), unterdrückt oder ausgeschaltet werden. Eine tungen zur Durchführung des Verfahrens. Dabei

solche Strömung hat auch eine geringe kinetische geht die Erfindung aus von einem Lichtbogenbrenner

Energie, und für einen gegebenen Düsendurchmesser mit einer einzelnen stabförmigen Elektrode mit sich

. glüht eine viel kleinere Gasmenge je Zeiteinheit als 60 verjüngender Spitze, die von einer ringförmigen

bei bekannten Vorrichtungen. Kammer umgeben ist, in die wenigstens ein Gas-

Lichtbogcnbrenner, die für die Erzeugung eines zufuhrkanal mündet.

Plasmastromes hoher Geschwindigkeit entwickelt Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der sind, sind allgemein für laminare Strömung nicht Erfindung ist eine solche Vorrichtung dadurch gegeeignet, weil sie mit großen Gasmengen arbeiten, 65 kennzeichnet, daß wenigstens zwei Gaszufuhrkanäle wobei die Erzielung von stabilisierenden Gasströmen vorgesehen sind, die von der Kammer ausgehen «nd

hoher Geschwindigkeit Zuführdurchgänge bedingen, an denen beträchtlicher Druckabfall erzeugt wird.

im wesentlichen parallel zur Oberfläche der sich verjüngenden Elektrodcnspitze verlaufen.

Bei einer solchen Vorrichtung wird das plasma- Kathode oder andere Teile des Brenners auftreffen,

bildende Gas derart parallel zu der Oberfläche der bevor sie in den Durchgang 16 eintreten. Es sind

Elektrodenspitze geführt, daß ein scharfes und direk- Versuche durchgeführt worden, bei denen die öff-

tes Auftreffen des Gases auf die Elektrode und auf nungen 20 unter einem solchen Winkel geneigt

die Düsenwandung vermieden ist. Demgemäß kann 5 waren, daß ein direktes Auf treffen dieser mehrfachen

die geforderte laminare Strömung bequem erzielt Ströme auf die Kathode 12 stattfand. Das Arbeiten

und aufrechterhalten werden. des Brenners war dann beträchtlich empfindlicher,

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungs- und der Bereich von Gasflüssen, die laminare Ein-

form der Erfindung ist eine Vorrichtung der genann- trittsbedingungen schaffen, war drastisch herab-

ten Art dadurch gekennzeichnet, daß ein Gaszufuhr- io gesetzt. .

kanal radial außerhalb einer in der ringförmigen Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, bilden die öffnun-

Kammer angeordneten ringförmigen porösen Wand gen 20 Kanäle, die so angeordnet sind, daß sie par-

angeordnet ist. allel zu den Seitenflanken der Spitze der Kathode 12

Eine noch andere bevorzugte Ausführungsform verlaufen. Es wird vorzugsweise eine Mehrzahl von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens 15 Öffnungen verwendet, die in gleichem Abstand vonist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, einander um die Kathode 12 herum angeordnet sind: daß ein Gaszufuhrkanal stromauf von in der ring- Das Wesen der Erfindung besteht darin, einen förmigen Kammer radial angeordneten Beruhigungs- glatten, laminaren, gleichmäßig verteilten Gasfluß in schirmen angeordnet ist. der Lichtbogenzone zu erzeugen. Diese laminare

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der so Natur des Gasflusses schafft die neuen Merkmale der

Zeichnung beispielsweise erläutert. Erfindung. ·

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Licht- An Hand der Fig. 2a und 2b können die Bedin-

bogenbrenner mit gemäß der Erfindung ausgebildeten gungen eines laminaren und eines turbulenten Flusses

Injektordurchgängen; . in die Lichtbogendüse miteinander verglichen wer-

Fig·2a und 2b dienen zur Veranschaulichung 25 den.

des Unterschiedes zwischen einem laminaren und In F i g. 2 a verläuft der laminare Fluß, der durch

einem turbulenten Fluß; , - Pfeile 25 angedeutet ist, im wesentlichen parallel zu

Fi g. 3 zeigt die Verwendung einer porösen Wan- den Begrenzungswänden des Durchganges 16 des

dung zum Aufteilen des Gasflusses; . . ■ - Brenners. In" dem laminaren Fluß ist jede radiale

F i g. 4 zeigt die Verwendung von »Beruhigungs«- 30 Bewegung der Gasmoleküle auf ein absolutes

Schirmen; Minimum herabgesetzt, so daß der Gasfluß ein

Fig. 5 veranschaulicht einen Lichtbogenbrenner solcher ist, wie er durch die Pfeile veranschau-

gemäß der Erfindung für das Arbeiten mit »über- licht ist.

tragenem Lichtbogen«; .,. ■ ■,. Fig. 2b zeigt eine entsprechende Brenner-

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, welche die 35 ausbildung, bei der jedoch ein turbulenter Gasfluß

Beziehung zwischen der Gasflußgeschwindigkeit und in den Durchgang 16 eintritt. Einem parallelen Gas-

dem Geräuschpegel wiedergibt; strom sind durch Pfeile 26 angedeutete Wirbel über-

Fig. 7 veranschaulicht eine abgeänderte Aus- lagert, die eine beträchtliche radiale Komponente in

führungsform eines Brenners gemäß der Erfindung. dem Gesamtflußmuster entstehen lassen. In den

Der Lichtbogenbrenner gemäß Fig. 1 ist beim 40 Fig. 2a und 2b sind die Arbeitsweisen auf der Arbeiten mit »nichtübertragenem Lichtbogen« wie- Basis einer gleichen Gaszufuhr und eines gleichen dergegeben. Eine übliche Gleichstromquelle 10 (die elektrischen Stromes verglichen. "
in diesem Fall mit gleichbleibender Polarität arbeitet) In F i g. 2 a erstreckt sich die Lichtbogensäule 22 führt über einen Leiter 11 einer Kathode 12 Elek- ziemlich weit in den Durchgang 16 hinein. Dies ist tronen zu. Die Kathode 12 wird von einem Träger 45 auf das Fehlen einer erzwungenen Radialbewegung 13; in einer bestimmten Abstandsbeziehung zu einer von leitenden Teilchen, wie Elektronen und Ionen, Düse 15 gehalten. Der Träger 13 und die Düse 15 zurückzuführen. Diese Elektronen und Ionen versind durch einen Isolierteil 14 voneinander elektrisch bleiben in unmittelbarer Nähe der Lichtbogensäule getrennt. Aus der Spitze der Kathode 12 fließen die und haben keine nennenswerte Bewegung in radialer Elektronen aus, um die bei 22 angedeutete Licht- 50 Richtung. Die Lichtbogensäule kann nicht eher auf bogensäule zu bilden, die sich in einen Durchgang 16 die Wandung des Durchganges; auf treffen, bis sich hinein (oder durch ihn hindurch) erstreckt. Bei der ein ionisierter Weg von selbst darstellt. Sobald ein Ausführungsform gemäß F i g. 1 trifft der Lichtbogen Ion sich aus dem Bereich, des Lichtbogens entfernt, auf die Innenfläche des Durchganges 16 an der kommt es mit der verhältnismäßig kühlen Gashülle Stelle 17 auf. Der elektrische Stromkreis ist durch 55 in Berührung, so daß es zerstört oder neutralisiert einen Leiter 21 geschlossen. wird. Es wird daher angenommen, daß ein doppelter

Die Lichtbogensäule wird auf wenigstens einem Effekt vorhanden ist, durch welchen der Lichtbogen

Teil des Durchganges 16 von einem Gasstrom im längs der Achse des Durchganges gehalten wird,

wesentlichen zentral stabilisiert. Der Mechanismus Erstens ist eine radiale Bewegung eines Elektrons

dieser Stabilisierung wird weiter unten an Hand der 60 oder Ions gegen die Wand lediglich auf Grund seiner

Fig. 2 a und 2 b näher erläutert. ■■.··■ eigenen kinetischen Energie möglich. Zweitens rriuO

Das Gas tritt in den Brenner durch einen Einlaß es auf diesem radialen Weg durch eine kühle; Gas-

19 ein und füllt eine ringförmige Kammer 23. Es wird hülle hindurchgehen, deren Moleküle sich nicht mit

dann durch öffnungen 20 gleichmäßig verteilt, um nennenswerter radialer Komponente bewegen. Es ist

an der Spitze der Kathode 12 vorbei in den Durch- 65 daher ersichtlich, daß der 'Lichtbogenkreis sich erst

gang 16 zu strömen. Es ist höchst erwünscht, daß dann schließen kann, wenn die Lichtbogensäule sich

die aus den öffnungen 20 austretenden Gasströme in radialer Richtung verbreitert und die Gashülle

nicht dadurch gestört werden, daß sie auf die selbst ausreichend erhitzt oder genügend dünn wird,

um ionisierten Teilchen zu gestatten, die Wand des Durchganges zu erreichen.

Im Falle eines turbulenten Flusses wird eine Massenübertragung durch Wirkung von Wirbeln verursacht. Heiße ionisierte Gasmassen bewegen sich aus dem Bereich des Lichtbogens in radialer Richtung. In Fig. 2b ist die Wirkung solcher Wirbel durch die· Pfeile 26 veranschaulicht. Diese erzwungene Massenübertragung führt viel rascher zu der Bildung eines ausreichend ionisierten Weges als im Fall des laminaren Flusses. Bei geringer Gaszufuhr erstreckt sich die Lichtbogensäule nur über eine kurze Strecke in den Durchgang 16 hinein, und sie könnte in dem in Fig. 2b veranschaulichten Fall zu einer Zerstörung der Brennerdüse infolge des Auftreffens eines konzentrierten Lichtbogens führen.
* Um unter den Bedingungen eines turbulenten Flusses ein stabiles Arbeiten zu erhalten, ist es notwendig (und dies hat sich bei bekannten Vorrichtungen tatsächlich als notwendig erwiesen), daß eine verhältnismäßig große Gasmenge zugeführt wird. Die axiale Geschwindigkeit dieser großen Gasmenge »bläst« den Lichtbogen längs der Länge des Durchganges. Auf diesem Mechanismus beruht das Arbeiten bekannter Lichtbogenbrenner. Die Scherkraft gleicht die Turbulenzeffekte aus.

,Wie hier aufgezeigt, wird, wenn beim Arbeiten mit turbulentem Fluß die Gaszufuhr gedrosselt wird, ein Punkt erreicht, an welchem das Arbeiten unzufriedenstellend wird. Für einen üblichen, mit »nichtübertragenem Lichtbogen« arbeitenden Brenner mit einem Düsendurchgang von etwa 6 mm Durchmesser beträgt die minimale Gaszufuhr ungefähr 100 englische Kubikfuß*) (2830 dnr*) je Stunde bei einem elektrischen Strom von 700 A. Bei Benutzung von Stickstoff hat unter diesen Bedingungen die Spannung einen Wert von 60 V.

. Bei Verwendung der gleichen 6-mm-Düse und der gleichen Kathode, jedoch mit einer Ausbildung, die einen laminaren Einlaßgasfluß in den Lichtbogendurchgang schafft, wird ein kontinuierliches Arbeiten mit einer Gaszufuhr von nur etwa 5 cu.ft./h (142 dnvVh) bei 700 A ermöglicht, während die Spannung auf einen Wert von 40 V herabgesetzt ist. Die minimale Gasflußgeschwindigkeit ist daher bei dem laminaren Fluß auf nur 5 ⁰Zo des Wertes bei turbulentem Fluß reduziert.

Während bei einem turbulenten Fluß die Eingangsenergie je Kilo Stickstoff 8340 kcal (dem Brenner zugeführte Energie, abzüglich aller Heizverluste) beträgt, kann dieser Wert im Fall des laminaren Flusses auf über 33360 kcal gesteigert werden. Dies ist eine vierfache Erhöhung des spezifischen Wärmeinhaltes des Plasmagases.

Das Arbeiten unter laminaren Strombedingungen ist von dem Arbeiten unter turbulenten Strombedingungen sowohl optisch als auch akustisch leicht zu unterscheiden. Unter turbulenten Bedingungen wird bei einem elektrischen Strom von irgendeiner gegebenen Größe ein kurzer Plasmastrahl erzeugt. In das aus dem Düsendurchgang austretende erhitzte Gas mischt sich rasch Atmosphärenluft ein. Bei einem Brenner mit einer Düse von 6 mm Durchmesesr, der bei 42 kW arbeitet, hat der turbulente

*) Aus Gründen der besseren Vcrgleichbarkeit werden hier die runden britischen Werte (cu.ft./h) nn erster Stelle und die entsprechenden metrischen Werte (dnr'/h) an zweiter Stelle in Kkinimcin ungeführt.

Strahl eine Länge von ungefähr 8 cm. Im Falle des Arbeitens mit laminarem Fluß hat der Plasmastrahl bei 28 kW eine Länge bis zu 46 cm.

Während der turbulente Plasmastrahl ein sehr starkes Geräusch erzeugt, so daß die Bedienungsperson einen Ohrschutz tragen muß, ist das Geräusch des laminaren Plasmastrahls sehr schwach. Die laminare Flamme hat ein »ruhiges« Aussehen. Ferner wirkt der auf einer außerordentlich hohen

ίο Temperatur befindliche laminare Plasmastrahl über eine vielfach größere Entfernung von dem Brenner als ein turbulenter Strahl. Beispielsweise läßt sich mit dem laminaren Plasmastrahl ein in einer Entfernung von 25 cm vom Brenner angeordneter Wolframstab leicht schmelzen. Bei einem turbulenten Strahl beträgt diese Entfernung, wenn alle anderen Bedingungen die gleichen sind, nur etwa 8 cm.

Die F i g. 3 und 4 veranschaulichen weitere Mittel zum Erzeugen eines gleichförmigen und laminaren Flusses.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist eine poröse Wand in Form eines Zylinders 31 vorgesehen. Das Gas wird in eine ringförmige Kammer 33 eingeführt, aus welcher es durch das den Zylinder 31 bildende poröse Material hindurch in eine innere Kammer 32 diffundiert. Von der Kammer 32 strömt das Gas aus einem ungestörten Zustand laminar an der Kathode 12 vorbei in den Durchgang 16 der Düse 15. Der in F i g. 3 wiedergegebene poröse Zylinder 31 kann aus nichtleitendem Material hergestellt sein, jedoch kann er bei anderen Ausführungen, bei denen eine elektrische Isolierung nicht erforderlich ist, aus porösem Metall hergestellt sein.

Ein anderes Mittel zum Herabsetzen der Intensität eines turbulenten Gasflusses besteht darin, Elemente vorzusehen, die als Beruhigungsschirme bezeichnet werden können, wie sie in Fig. 4 bei 37 angedeutet sind. Das Gas wird in einen ringförmigen Raum 35 oberhalb der Schirme 37 eingeführt, aus welchem es durch die Schirme 37 hindurch in eine Kammer 36 tritt. Solche Schirme können auch zylindrisch wie der poröse Zylinder gemäß F i g. 3 angeordnet sein. Es können auch andere Mittel benutzt werden, um den gemäß der Erfindung verlangten laminaren Fluß zu erzeugen.

Ein Maß für den Turbulenzgrad eines Gasflusses ist durch die Reynold-Zahl N_r gegeben. Diese dimensionslose Größe wird durch den Ausdruck bestimmt:

worin V die Flußgeschwindigkeit, d den Durchmesser des Durchganges, ρ die Gasdichte und u die Gasviskosität bedeutet.

Ein laminarer Fluß für einen völlig entwickelten Kanalstrom ist bei N_r = 2200 vorhanden. Ein Über-• gangsbereich zwischen einem. laminaren und einem turbulenten Fluß ist bei einem Wert von N_r zwischen 2200 und etwa 5000 vorhanden. Ein völlig turbulenter Kanalstrom ist bei einem Wert von N_r über 5000 vorhanden. Es ist ersichtlich, daß ein laminarer Fluß für irgendeinen Düsendurchmesser und irgendeine Gasart dadurch erreicht wird, daß die Flußgeschwindigkeit V- vermindert wird. Daher sind für einen Kanalstrom nur verhältnismäßig niedrige Gasgeschwindigkeiten möglich.

Da die Flußwege innerhalb eines typischen Brennerkörpers gewöhnlich 'sehr kurz sind, ist es

⁷ ■■■"-·. 8 .

nicht wahrscheinlich, daß laminare Kanalstrom- auf einen Wert zwischen 500 und 800 A erhöht, bedingungen erhalten werden., Daher ist z. B. die Oberhalb und unterhalb dieser optimalen Werte des Verwendung von Beruhigungselementen erf order- elektrischen Stromes erhöht sich der Geräuschpegel lieh. Von besonders hohem Wert (in denjenigen etwas, oder das Geräusch enthält störende Ober-Fällen,. in denen, höhere Gäsgeschwindigkeiten aus 5 wellen.

der Düse erwünscht sind, aber nichtsdestoweniger Die praktischen Vorteile des laminaren, Plasmaein laminarer Fluß gefordert wird) ist die Venyen- Strahles sind für den Fachmann ohne weiteres erdung der Mach-Hebra-Düse, die Reynold-Zahlen bis kennbar. Ein Schweißen kann erstmalig mit einer 400 Ö00 und höher zuläßt. Auf diese Weise kann eine »Flamme« (nichtübertragener Lichtbogen) durchhqhe'.'Geschwindigkeit bei niedrigem Geräuschpegel io geführt ,werden, deren Charakteristiken regelbar sind, erzielt werden. */■ s . sb.·.. '; ;, Die Flammentemperatur kann in einfacher Weise

,Während die vorstehend im einzelnen beschrie- dadurch geändert werden, daß die Energiehöhe gebene Arbeitsweisesich auf B rennerausführungen mit ändert wird. Eine völlig inerte Atmosphäre zum »nichtübertragenem Lichtbogen« bezieht, ist die An- Abschirmen der Schweißzone kann durch Verwendung der einen laminaren Fluß gewährleistenden is wendung von Argon oder einem anderen Edelgas Prinzipien der Erfindung auf die Arbeitsweise mit vorgesehen werden. Es werden Wärmeübertragungs- »übertragenem Lichtbogen« ebenfalls von großer geschwindigkeiten erzieky die vielmals größer als bei praktischer Bedeutung. r ;; einer Sauerstoff-Acetylen-Flamme sind, und bei weit

-Fig. 5 veranschaulicht die Verwendung eines mit geringeren Strahlmomenten.

übertragenen Lichtbogen arbeitenden Brenners zum 20 Wenn in den Lichtbogen ein pulverförmiges Ma-Schweißen, Die miteinander zu verschweißenden terial eingeführt wird, um es zu schmelzen, ist es oft Werkstücke 42 und 43 werden vor dem Brenner schwierig, dies mit einem Plasmastrahl hoher Geangeordnet, und der Lichtbogen 40 überträgt sich schwindigkeit zu erreichen, was gewöhnlich .auf die auf diese Arbeitsstücke, wobei der Lichtbogenkreis kurze Verweilzeit des einzelnen Teilchens in der über den Leiter 21 geschlossen ist. Der aus der püse 25 Erhitzungszone zurückzuführen ist. L'aminare Plas-15 austretende Plasmastrom 41 hat nur geringe maströme schaffen eine viel längere Verweilzeit und Richtungsbeständigkeit und ist frei von einem uner- stellen ein zuverlässiges, billiges Mittel dar, um alle wünschten Moment, welches die Schweißmasse Arten von Materialien zu schmelzen oder in Tropfenstören würde. form zu bringen.

Die Feststellung, ob ein Brenner unter den lamina- 30 Ein Plasmastrom geringer Geschwindigkeit eignet ren Flußbedingungen gemäß der Erfindung oder sich gut zum Wachsenlassen von Kristallen nach unter turbulenten Bedingungen wie bei üblichen Verneuil-Prinzip, da die Oberfläche der Flüssigkeit Lichtbogenbrennern arbeitet, kann leicht auf Grund nur in minimalem Ausmaß gestört wird,
des sich ergebenden Geräuschpegels getroffen Es ist ersichtlich, daß bei der praktischen Durchwerden. 35 führung der Erfindung die Lichtbogensäule durch

Fig. 6 ist eine aus" tatsächlichen Versuchsergeb- Gaswirkung stabilisiert wird. Während das Gas genissen erhaltene graphische Darstellung, welche die wohnlich unter einem kleinen Druck längs der Beziehung zwischen dem Gasfluß und dem Geräusch- Kathode in die Düse strömen gelassen wird, ist gepegel wiedergibt. Bei einer Stickstoffzufuhr von funden worden, daß eine solche Abgabe tatsächlich 100 cu.ft./h (2830 dm³/h) liegt der Geräuschpegel 40 nicht wesentlich ist. Ein Brenner arbeitet zufriedenbei 115 db, wobei der Wert von 100 db als noch stellend, wenn man, wie dies in Fig.7 veranschauerträglicher oberer Geräuschpegel angesehen werden licht ist, Atmosphärenluft oder ein anderes Gas soll. Dieser übermäßig hohe Pegel von 115 db durch die Wirkung der durch Pfeile 53 angedeuteten bleibt erhalten, bis die Gaszufuhr auf unter Plasmagasströme ansaugen läßt. In diesem Fall wird 15 cu.ft./h (425 dm³/h) herabgesetzt ist, worauf der 45 das plasmabildende Gas unter Druck durch einen ! Geräuschpegel steil abfällt, bis er bei 5 cu.ft./h Einlaß 50 in einen Verteilerraum 51 eingeführt. Die j (142 dm³/h) unterhalb des mittleren Arbeitsraum- Gasströme 53 ergeben sich aus der Expansion des i Geräuschpegels liegt, der in F i g. 6 durch die stark durch Öffnungen 52 hindurchgehenden Gases. Eine ausgezogene waagerechte Linie α angedeutet ist. solche Ausführung stellt ein geeignetes Mittel zum I Zusätzlich zu dieser Geräuschpegelherabsetzung 5° Einführen von Stoffen in den Plasmastrahl dar. ' wird der Plasmastrahl in überraschender Weise in Beispielsweise kann ein Pulver in den erzwungenen seiner Länge beträchtlich ausgedehnt. Argon ergibt Gasfluß eingeführt werden, der aus den Öffnungen eine etwas unterschiedliche Charakteristik, jedoch 52 in Form der Ströme 53 austritt. Das Arbeitseine ähnliche Herabsetzung des Geräuschpegels. kriterium dieser Brennerausführung beruht auf dem ί Die Prinzipien der Erfindung basieren auf der 55 Umstand, daß der Fluß des angesaugten Gases, der ; Erzeugung eines laminaren Gasflusses in dem Licht- durch Pfeile 54 angedeutet ist, laminar ist.
i bogendurchgang sowie auf der Aufrechterhaltung In vielen Fällen, in denen größere Energiewerte j des laminaren Flusses in dem erzeugten Plasmastrahl. erwünscht sind, ist es vorteilhaft, höhere Lichtbogeni Aus noch nicht völlig geklärten Gründen ist für spannungen vorzusehen. Solche höhere Spannungen ! einen gegebenen Durchmesser des Düsendurchganges 60 können dadurch erhalten werden, daß ein erster ! und einen gegebenen Einlaßgasfluß ein Bereich des Durchgang, der elektrisch neutral ist, und eine zweite elektrisches Stromes vorhanden, der ein optimales Düse verwendet werden, die einen zweiten Durch- ! Ergebnis liefert, d. h. den niedrigsten Arbeits- gang schafft, der koaxial und in Reihe zu dem ersten gcräuschpegel bei dieser besonderen Kombination. Durchgang liegt. Die zweite Düse dient als die zweite Der elektrische Strom wird bei einer Düse von 65 Elektrode. Dieser elektrisch »schwimmende« Mittel-4,8 mm Durchmesser vorzugsweise auf einen Wert durchgang schafft einen längeren Abstand zwischen j zwischen 300 und 500 A gehalten, während er sich der Kathode und der zuerst zur Verfügung stehenden bei einer Düse mit einem Durchmesser von 7,9 mm Anodenfläche.

Obgleich bei den oben beschriebenen Beispielen Gleichstrom mit gleicher Polarität verwendet ist, ist die Erfindung auch auf das Arbeiten mit Gleichstrom von umgekehrter Polarität und auf das Arbeiten mit Wechselstrom anwendbar.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen eines Plasmastromes hoher Temperatur in einem elektrischen Lichtbogenbrenner, der eine mittlere Düse und eine einzelne Stabelektrode aufweist, die nahe dem Düseneintritt und in axialer Ausrichtung zu diesem angeordnet ist, so daß ein ringförmiger Eintrittsdurchgang gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom von plasmabildendem Gas in den ringförmigen Eintrittsdurchgang ohne direktes Auftreffen des Gases auf die Elektrode und die Düse und in laminarem Strömungszustand in die Düse entsprechend ao einer Reynold-Zahl von kleiner als 2200 eingeführt wird.

2. Lichtbogenbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer einzelnen stabförmigen Elektrode mit sich verjüngender as Spitze, die von einer ringförmigen Kammer, umgeben ist, in die wenigstens ein Gaszufuhrkanal mündet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Gaszufuhrkanäle(20) vorgesehen sind, die von der Kammer ausgehen und im wesentlichen parallel zur Oberfläche der sich verjüngenden Elektrodenspitze verlaufen. ' ':/

3. Lichtbogenbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer einzelnen stabförmigen Elektrode mit sich Verjüngender Spitze, die von einer ringförmigen Kammer umgeben ist, in die wenigstens ein Gaszufuhrkänal mündet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gaszufuhrkanal radial außerhalb einer in der ringförmigen Kammer (32, 33) angeordneten ringförmigen porösen Wand (31) angeordnet ist.

4. Lichtbogenbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer einzelnen stabförmigen Elektrode mit sich verjüngender Spitze, die von einer ringförmigen Kammer umgeben ist, in die wenigstens ein Gaszufuhrkanal mündet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gaszufuhrkanal stromauf von in der ringförmigen Kammer (35, 36) radial angeordneten Beruhigungsschinnen (37) angeordnet ist. '

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen .(■'-■/.'■■■'

.;-■·..■■ !<■'■ ' '■■·_'. ■