DE1639325A1 - Vielseitig verwendbarer Plasmastrahlgenerater und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Montecatini ... ^ München, 11. Februar 19

M/9016 Lo

Vielseitig verwendbarer Plasmastrahlgenerator und Verfahren zu seiner Anwendung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmastrahlgenerator mit vielseitiger Verwendbarkeit und großer Anpassungsfähigkeit, bestehend aus einem Kathodenträger, einer Stabkathode und einer Düsenanode in koaxialer Stellung zueinander, einem Anodenträger und einem elektrisch-isolierenden Elektroden-Zwischenelement, mit einem Kühlsystem. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf Sprüh-, Pia st ο spray-, Bra so spray- und Schnell schneideverfahren.

Ziel der Erfindung ist es, den Gegenstand der deutschen Off enl egu ng s schrift 1 5 64 32 8 zu verbessern und eine größere Anpassungsfähigkeit in der Verwendung, der Umwandlungen, der Beobachtung und Instandhaltung der Vorrichtung bei Arbeitsvorgängen zum Erhitzen, Schmelzen, Schneiden metallischer und nichtmetallischer Materialien, sowie bei Arbeitsgängen zum Aufsprühen von Metall-, keramischen und Kunststoffen unter verbesserten Bedingungen zu erreichen.

Neue Unterlagen (Art. 7 § I Abs. 2 Nr. I Satz 3 des Änderungsges. v. 4. 9.1967)

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In der vorgenannten deutschen Offenlegungsschrift 1 564 32 wurde eine besondere Bauart eines Plasmastrahlgenerators als besonders geeignet für die herkömmlichen Verwendungen von "Sprüh"- und "chemische Sy nt he se"-V er fahr en beansprucht, da die Plasma strahle η durch Einsetzen der Vorrichtung in ein Gerät mit Energiezufuhr und Regelung gemäß der herkömmlichen, bekannten Lösung durch Plasmabogen vom "nicht-übertragenen" (geschlossenen) Typ erhalten werden. In der genannten deutschen Offenlegungsschrift 1 5 64 32 8 wurde auch die Möglichkeit erwähnt, die Vorrichtung in sekundären und herkömmlichen Anwendungsbereichen, wie Schmelzschneid- und Sc hm el zv er fahr en einzusetzen, wobei vorgeschlagen wurde, daß für derartige Verwendungen die Vorrichtung in einen Apparat mit Energiezufuhr und Regelung gemäß einer der herkömmlichen Lösungen der Verbindung durch Plasmabogen der bekannten "nicht-übertragenen" oder "vorwiegend übertragenen" oder "ganz übertragenen" (offenen) Typen eingesetzt werden soll.

In der genannten deutschen Offenlegungsschrift 1 564 328 ist schließlich ausgeführt, daß auf Grund der besonderen Bauart der Vorrichtung und der daraus folgenden größeren Funktionstüchtigkeit derselben in einem größeren Energiebereich, vor allem im Bereich größerer Betriebsleistung, namentlich folgende Vorteile erzielt werden: verbessertes Funktionieren, vergrößerte Energieabgabe und eine Verlängerung der Lebensdauer der der Abnützung unterworfenen Teile, insbesondere der Elektroden, in einem Plasmastrahlgenerator des "nicht-übertragenen Bogen"-Typs; die Benützung desselben gehört in Anbetracht der Art der Elektroden in den Bereich der "Sprüh"- und "chemische Synthese"-V erfahr en, mit verbesserten Leistungen durch ein gasgeschütztes elektrisch kurzgeschlossenes Bogensystem.

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Die vorliegende Erfindung bietet demgegenüber folgende Vorteile:

A. Verbesserungen des Gegenstandes der deutschen Offenlegungsschrift 1 56H 32 8 hinsichtlich Aufbau und Anwendung in folgenden Punkten:

1) Verringerung der Ge samt abmessung en der Vorrichtung;

2) Verbesserung und Vereinfachung der Überwachung sowie ä der Wartung derselben;

3) Verbesserung der Kühlung des zwischen den Elektroden befindlichen Elements mittels zweifacher Kühlung, nämlich Luft- und Wasserkühlung.

E. Verbesserung des Gegenstandes der deutschen Of f enlegungsschrift 1 564 32 8 hinsichtlich der besonderen Bauart der Elektroden und durch verschiedene auswechselbare Teile, derart, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auf zahlreicheren, verschiedenen üblichen Anwendungsgebieten (sog. "Spray"-, "Saldospray¹¹-, "Plastospray"- und Schnellschneideverfahren) verwendbar ist, wobei deren verbesserte ' Arbeitsbedingungen auf folgende bauliche Verbesserungen zurückzuführen sind:

1) die Geometrie der anodischen Flächen bei Wasserkühlung;

2) die innere Geometrie der Elektroden (Kathode und Düse);

3) die Geometrie der Verteilung des Kilfsgases zum Schützen und/oder Kühlen und/oder Fördern des Pulvers.

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C. Verbesserungen herkömmlicher Verfahren bezüglich folgender Arbeitsvorgänge: "Spray"-, "Saldospray¹¹-, "Pia st ο spray" und Sehne 11 sehne id ever fahr en, und zwar durch Feststellung der optimalen Werte der verschiedenen Betriebsparameter (Bogengas oder dessen Gemische, Stromdichte; Energiedichte; Verhältnis von Energie/Bogengasfluß).

D. Schaffung eines Verfahrens durch Entwicklung einer neuen Arbeitstechnik (die "BRASO-SPRAY" genannt wurde) mittels geeigneter Wahl der Werte der Betriebs parameter; das Wichtigste dabei ist die Stromzufuhr zum Werkstück gemäß bestimmten Werten, wodurch auf das zu bearbeitende Stück eine in einer genau bestimmten Größenordnung liegende Strom- und Energiedichte übertragen wird.

Die deutsche Offenlegungsschrift 1 5 64 32 8 bezieht sich im wesentlichen auf eine verbesserte Bauart des Plasmastrahlgenerators, um dessen Betrieb innerhalb eines größeren Bereichs verfügbarer Energie zu ermöglichen, ohne daß dadurch die Bestandteile der Vorrichtung beschädigt würden, wobei die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung hauptsächlich auf dem Gebiet der "Sprüh¹¹- und "chemischen Synthese"-V er fahr en verbessert wird.

Demgegenüber ist Ziel der vorliegenden Erfindung, eine bauliche Verbesserung des Gegenstandes der vorgenannten deutschen Offenlegungsschrift 1 564 32 8, so daß zu den Vorteilen derselben noch diejenigen der Verwendungsmöglichkeit in einem größeren Anwendungsbereich ("Spray"-, " Saldo spray"-, "Brasospray"-, " Plast ospr ay"- , Schmelz-, Schmelzschneide-, Schnellschneid ever fahr en) hinzukommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen zwei-

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fächer Art zu erzielen, nämlich solche hinsichtlich des Aufbaus und solche hinsichtlich der Wirkungsweise.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Organe des Kühlsystems im Kathodenraum einen Wasserstrahl gegen die Rückseite der Kathode spritzen und Wasserdurchlässe in dem elektrisch-isolierenden Elektroden-Zwischenelement vorgesehen sind, durch die das Kühlwasser in einer umfänglichen Fließbewegung, die mit dem Plasmastrahl koaxial und gleichgerichtet ist, durch das Zwischenelement zur Anode strömt und diese kühlt, wobei der Generator in einem Betriebsspannungsbereich zwischen 2 5 und 150 V arbeitet.

Weitere Ausbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 3

Daraus folgt, daß die Erfindung auf dem Gebiet der Plasmastrahlgeneratoren und deren Anwendungsverfahren eine sehr wesentliche Verbesserung darstellt, sowohl im Hinblick auf die Ausdehnung des Bereichs der jeweiligen Verfahren zur Anwendung der Technologie des Plasma Strahls, als auch wegen der auf diese Weise in den verschiedenen Anwendungsbereichen erzielten Ergebnisse.

Es ist bereits bekannt, wie ein zwischen zwei Elektroden gebildeter Lichtbogen mittels eines Luft- oder anderen Gasstromes ausgv.edehnt und verstärkt werden kann.

Die Verkürzung oder Zusammendrückung eines elektrischen Lichtbogens mittels eines Mediums ist tatsächlich seit langem bekannt, nämlich seit sie von GERDIEN und LOTZ 19 22 mit Hilfe von Wassereinspritzung zum ersten Mal durchgeführt wurde.

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Auch das Anblasen eines elektrischen Lichtbogens mit einem Gas, das ihn wie eine Haube umgibt, ist seit der Zeit bekannt, seit die Methode der elektrischen Lichtbogenbildung in einem Inertgas auf dem Gebiet des Schweißens eingeführt wurde.

Schließlich wurden die Bedingungen eines kräftigeren BIasens und Zusammendrücken vor einigen Jahren auf dem Gebiet derjenigen elektrischen Lichtbögen eingeführt, die, mittels inerter und/oder reaktiver Gasmedien angeblasen oder zusammengedrückt, unter den Namen Plasmabögen, Plasmabrenner oder Plasmastrahldüsen bekannt sind.

In das Gebiet der letzteren gehört der Plasmastrahlgenerator mit direkter Kathodenkühlung und Wasserumlauf in den die Vorrichtung umgebenden Zonen gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 56t 32 8, der gegenüber die vorliegende Erfindung bauliche Verbesserungen und eine ausgedehntere Anwendbarkeit sowie Wirksamkeit aufweist.

Wie bereits erwähnt, sind ähnliche Plasmastrahlgeneratoren bekannt und ihre Nachteile wurden in der obigen deutschen Qffenlegungs schrift 1 564 32 8 ausführlich dargelegt.

Bemerkt sei hierzu noch, daß diese bekannten Vorrichtungen im allgemeinen in baulicher Hinsicht in mehrere Arten mit einzelnen Anwendungsmerkmalen für die verschiedenen Arbeitsgebiete unterteilt sind.

Demgegenüber ermöglichen die erfindungsgemäßen Elemente, eingebracht in einer Vorrichtung nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 564 32 8, eine viel größere Anpassungsfähigkeit in der Verwendung--derselben und überraschende, optimale

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Leistungen in den verschiedensten Anwendungsbereichen; außerdem weisen diese Elemente wertvolle Eigenschaften auf, die für manche Verwendungsarten ausschlaggebend sind, so z.B. kleinstmögliche Gesamtabmessungen, wodurch die Verwendbarkeit in Rohren kleinen Durchmessers ermöglicht wird, oder eine Betriebsfestigkeit, die außerordentlich lange Arbeitszeiten in überhitzter Umgebung und bei starker Wärmeströmung zuläßt, oder die Einfachheit und Schnelligkeit, mit der die Elektroden ausgewechselt werden können usw.

Diese Ergebnisse werden selbstverständlich auf Grund der erfindungsgemäßen baulichen Merkmale des Pia sma Strahlgenerators selbst, jedoch auch mit Hilfe der Merkmale hinsichtlich der Bedingungen erreicht, von denen die wichtigsten, wie die Dichte des gesamten und übertragenen elektrischen Stromes, diejenige der gesamten und übertrageenen Energie, das Verhältnis Energie/Bogengasfluß für jeden Bogentyp ("nicht-übertragener" oder "unterschiedlich übertragener" Typ, wobei letzterer noch in drei Unterarten, nämlich in ganz, vorwiegend und schwach übertragaie Typen unterteilbar ist) festgelegt und entsprechend dem Bedarf der betrachteten Anwendungsart aufrechterhalten werden. Diese Merkmale bilden jeweils Ziele und Gegenstände der vorliegenden Erfindung, welche insbesondere die Erzeugung und anschließende Verwendung von Plasmastrahlen in einem Spannungsbereich zwischen 2 5 und 150 V sum Gegenstand hat.

Auf dem Anwendungsgebiet der Plasmastrahlen des "nicht-übertragenen-3ogen"-Typs zur Herstellung von Schutzüberzügen (Sprühvfirfahren) mittels eines gasgeschützten kurzgeschlossenen elektrischen Bogensystems werden die bekannten Verfahren derart durchgeführt, daß die Parameter, wie Stromdichte, Energiedichte und das Verhältnis Energie/Bogengasf luß unter

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2 den folgenden Werten zu liegen scheinen: 10 A/mm ,

2 3

0,5 KW/mm bzw. 10 kW/m h; wenn man nämlich die Energie bei unverändertem Bogengasfluß erhöhen würde, träte eine Beschädigung der Elektroden auf, während bei gleichzeitiger Erhöhung auch des Bogengasflusses der Bogen entsprechend einer gas-verengten geschlossenen Lichtbogenbildung im Inneren der Anodenöffnung verändert wird, wobei diese Veränderung durch eine äußerst hohe Strömungsgeschwindigkeit des entstehenden Plasmastrahls gekennzeichnet ist.

Unter diesen Bedingungen wurde gefunden, daß, obwohl diese Vorrichtungen eine zufriedenstellende Leistung liefern, der Flammenfluß in Berührung mit den Düsenwänden nicht die erforderliche hohe Temperatur aufweist, um ein Schmelzen des Teils des Materials zu erzielen, das, insbesondere wenn letzteres in Pulverform vorliegt, diese Bereiche mit ausgesprochen kurzen Verweilzeiten durchquert, vor allem dann, wenn auch der Bogengasfluß erhöht ist.

Auf diesem Gebiet bringen die erfindungsgemäßen Merkmale eine Verbesserung der Elektrodengeometrie sowohl hinsichtlich der mit dem Bogengas in Berührung stehenden Innenflächen, als auch in bezug auf die mit dem Kühlwasser in Berührung stehenden Außenflächen, derart, daß solche Elektroden Plasmastrahlen unter höheren thermischen sowie energetischen Belastungen entsprechend einer "kurzgeschlossenen elektrischen Lichtbogenbildung" erzeugen und begrenzen können, wobei ein mäßiges Blasen in verwirbelter Art durch das Bogengas erfolgt, das eine Elektronenverdichtung mittels verteilten Elektronenaufpralls begünstigt, so daß jede Beschädigung der Elektroden verhindert wird.

Tatsächlich ermöglichtdie erfindungsgemäße Vorrichtung das

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Durchführen verbesserter Verfahren, bei denen die Werte für Strom- und Energiedichte sowie die Verhältnisse Energie/ Bogengasfluß jeweils in der Größenordnung von 10-3 5 A/mm², 0,5-1,8 kW/mm² bzw. 10-20 kW/m³/h liegen.

Wenn man unter diesen Bedingungen Plasma strahlen aus Argon, Stickstoff, Wasserstoff oder aus Stickstoff-Wasserst off gemischen (wobei diese Elemente als Gase oder Gasgemische zur Stabilisierung des Lichtbogens benutzbar sind) verwendet, die mittels der mit den auswechselbaren Einsätzen gemäß Fig. Ibis oder 10 versehenen Vorrichtung nach Fig.l erzeugt und in einen Bogen des "nicht-übertragenen" Typs (gemäß Fig. 15 oder 16) geschaltet sind, erzielt man ein verbessertes Schmelzen des Überzugsmaterials und die Herstellung besserer Überzüge, deren hervorstechendstes Merkmal ein besseres Haften der verschiedenen Schichten aneinander und an den Zwischenflächen des Grundmetalls zu sein scheint. Außerdem besitzen diese Überzüge eine ausgeprägtere Schutzwirkung gegen Wärmeoxydation und bieten einen stärkeren Widerstand gegen Wärmeschockwirkungen.

Mit Hilfe eines später zu beschreibenden, passenden Anodeneinsatzes, der insbesondere für das Verspritzen organischen makromolekularen Überzugsmaterials ausgebildet ist, ist es auch möglich, mittels der weiterhin in "nicht-übertragener" B^og en schaltung gehaltenen Vorrichtung Sehutzüberzüge thermoplastischer oder warm hart barer polymerischer Art ("Plastospray") herzustellen, wobei stets in den weiter oben für die Arbeitsparameter angegebenen Wertbereichen und unter Benützung von Plasma strahl en aus Stickstoff und/oder Wasserstoff, vorzugsweise aber Stickstoff, gearbeitet wird.

Darüberhinaus können mit der Fläche der Unterlage durch

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Schweißen ("Saldospray"-Verfahren) verbundene Filmüberzüge bekannter Art ebenfalls mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig.l hergestellt werden, wobei letztere mit den Einsätzen nach Fig. Ibis versehen und gemäß den Schaltbildern von Fig. 13 oder 18 durch die bekannte "vorwiegend übertragene" Bogenschaltung (gekennzeichnet durch eine 70-9 5%ige Übertragung des gesamten Kathodenstrcms) verbunden ist; dadurch erzielt man sowohl beim Material der Grundlage als auch beim Überzugsmaterial eine Oberflächenschmelzung, so daß der Überzug Verbindungs-Eigenschaften erhält, die mit denjenigen des Überzugsmaterials nicht mehr identisch sind. Dies ist darauf zurückzuführen, daß während des Aufbringens tiefe Änderungen metallurgischer Art auftreten, die gleichzeitig die chemischphysikalischen Eigenschaften des Überzugsmaterials selbst verändern. Diese Tatsache ist in manchen Fällen offenbar weder erwünscht noch günstig, so z.B. dann, wenn ein Überzugsmaterial mit großer Härte zwecks Erzielung einer abriebfesten Beschichtung aufgebracht wird und der Überzug nach dem Aufbringen niedrigere Härteeigenschaften aufweist als das Ausgang smat er ia 1.

Die Erfindung bezieht sich daher auch auf eine neuartige Schutzbehandlung, die "Brasospray" genannt wird und die soeben erwähnten Nachteile des "Sa Id ο spray"-V er fahr ens nicht aufweist.

Dieses "Brasospray"-Verfahren besteht darin, daß ein Überzug auf ein zu behandelndes Stück aufgebracht wird, das gleichzeitig und/oder nachfolgend einer elektrothermischen Behandlung (die mittels einer schwachen, aber wirksamen Hervorbringung metallurgischer Erscheinungen, welche die mechanische Zwischenflächenhaftung verbessern, die Haftung an den Berührungsflächen verstärkt) unterzogen wird, und zwar mit Hilfe

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eines Plasma Strahls mit "unterschiedlich übertragenem" Bogen, so daß an das überzogene Werkstück Stromdichte- und Energiedichtewerte in der Größenordnung zwischen 2 5 und

2 2

2 50 W/mm bzw. zwischen 1 und 6 A/mm angelegt werden.

Dieses Verfahren kann unter Benützung eines Edelgases, vorzugsweise Argon, als Bogengas und von Pulvern eines oder mehrerer Metalle als Arbeitsmaterial zur Erzeugung des Überzugs in einem einzigen Arbeitsgang (und mit einer einzigen Vorrichtung, wie diejenige gemäß Fig. 1 entsprechend dem Schaltbild nach Fig. 13 oder 17) durchgeführt werden, in dem die Aufbringung der Metallüberzugs schicht entsprechend den bereits für das " Sprüh"-Verfahren angegebenen Betriebsmaßnahmen zusammen mit der angeschlossenen elektrothermischen Behandlung mittels eines Plasmastrahls des "schwach übertragenen" Bogentyps gemäß Fig. 13 oder 17 erfolgt.

Eine zweite Möglichkeit, die für die Durchführung des sog. "Brasospray"-Verfahrens bevorzugt ist, besteht darin, zwei getrennte Arbeitsgänge (mit einer oder zwei Vorrichtungen) vorzusehen, wobei auf die erste Phase, in der der Metallüberzug gemäß den bereits erwähnten Betriebsangaben im "Sprüh"-Verfahren aufgebracht wird, eine zweite Phase folgt, in der das so beschichtete Werkstück einer elektrot hermischen Behandlung mittels Plasmastrahls aus der Vorrichtung gemäß Fig.l unterzogen wird, welche für eine "ganz, vorwiegend oder schwach übertragene" Eogenschaltung nach Fig. 14 oder 19, bzw. Fig. 13 oder 18, bzw. Fig. 13 oder 17 eingerichtet ist, wie später näher erläutert wird.

Bei dieser zweiten Arbeitsweise, die, wie bereits erwähnt, für die Durchführung des "Brasospray"-Verfahrens bevorzugt ist, kann die erste Phase unter Verwendung der zum "Sprüh"-

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Verfahren geeigneten, mit Argon betriebenen Vorrichtung nach Fig. 1 durchgeführt werden, die auf "nicht-übertragene-Bogen"-Schaltung eingestellt ist (Fig. 15 oder 16). Es ist jedoch auch möglich und sogar vorzuziehen, die beiden getrennten Arbeitsphasen mit derselben, in einer Einzelverbindung angeordneten Vorrichtung, d«h. mit derselben nach Fig.l in "Schwach-übertragener-Bogen"-Schaltung gemäß Fig. 13 oder 17 durchzuführen; dabei kann während der ersten Arbeitsphase die schwache Übertragung des Bogens wahlweise vorgenommen werden oder nicht, indem man den Betriebsabstand zwischen dem Werkstück und der Plasmadüse verkürzt oder nicht.

Die Vorrichtung wird in der zweiten Arbeitsphase, in der der "schwach übertragene" Bogen die so beschichtete Fläche des Werkstücks überstreicht, selbstverständlich nicht mehr mit dem Überzugsmaterial gespeist.

Die Definition des "schwach übertragenen" Bogens leitet sich offenbar von dem Verhältnis des Ausmaßes ab, in dem die beiden Bögen (der eine elektrisch an die Düse des Plasmagenerators und der andere an das Werkstück angeschlossen) in Verbindung miteinander arbeiten.

Wie bereits gesagt, bezieht sich das "Brasospray"-Verfahren, unabhängig davon, ob es in einem oder in zwei Arbeitsgängen durchgeführt wird, auf das Aufsprühen des Metallüberzugs, wobei die Parameter für die gesamte Stromdichte, die gesamte Energiedichte sowie die Verhältnisse Energie/Bogengasf luß gemäß den Werten anzuwenden sind, die jeweils mit Bezug auf das einfache "Sprüh"-Verfahren bereits angegeben wurden, d.h.

2 in der Größenordnung zwischen 10 und 3 5 A/nun , 0,5 und 1,80

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kW/mm bzw. 10 und 20 kW/m /h; als Bogengas wird ein Edelgas,

vorzugsweise Argon, benützt.

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Gemäß dem sog. "Brasospray"-Ver fahren wird der Schutzüberzug auf verbesserte Weise aufgebracht und ist geeigneter für viele Zwecke und Verwendungen, bei denen eine stärkere Haftung und Zwischenflächenbindung sowie gleichzeitig eine ausreichende Oberf Iachenrauhheit erwünscht ist, um für etwaige weitere Beschichtungen ein gut abbindendes und haftendes Element abzugeben.

Unter den verschiedenen Anwendungen, bei denen das "Brasospray "-Verfahr en überraschend verbesserte Ergebnisse liefert, soll nicht allein der Fall einer abriebfesten Beschichtung hervorgehoben werden; es seien vielmehr auch die "hitzeabriebfesten" Schutzüberzüge mit abschließenden Schichten aus keramischen Produkten erwähnt, die ein sehr wirksames Mittel gegen Beschädigungen durch Wärmeoxydation darstellen. Dieses Verfahren ist daher besonders geeignet für Fälle, in denen ein Metallüberzug auf eine metallische Unterlage aufgebracht werden soll, wobei der Überzug seinerseits durch einen anderen Überzug aus einer oder mehreren Schichten metallischer und/oder keramischer Art bedeckt werden kann oder nicht.

Beim "Brasospray"-Verfahren wurde gefunden, daß auf der Haftfläche des Überzugs an der Unterläge eine mechanische Haftung zustandekommt, die durch die Bildung metallurgischer Bindungen auf bemerkenswerte Weise verstärkt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das metallische Überzugsmaterial Eigenschaften metallurgischer Art aufweist. In derartigen Fällen erscheint der aus zwei odEr mehreren Schichten bestehende Schutzüberzug (wobei die erste eine Metallschicht ist und die weiteren Metall- und/oder keramischen Lagen sind) als ein Ganzes und ist sehr viel widerstandsfähiger als dies mit Hilfe des " Sprüh"-Verfanrens unter Verwendung von Plasma mit "nicht übertragenem Bogen" zu erreichen wäre.

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Der erfindungsgemäß verbesserte Plasmastrahlgenerator eignet sich auch zur Verwendung in dem besonderen Fall, in dem "Schnellschneid"-Vorgänge an Platten aus verschiedenen Stoffen vorgenommen werden sollen. Hierbei wird selbstverständlich das geeignete Paar von Elektrodeneinsätzen nach Fig. in "Ganz-übertrag^ener-Bogen"- oder noch besser in "vorwiegend übertragener" Schaltung (Fig. 14 oder 19 oder besser Fig. 13 oder 18) benützt, unter Anwendung der Arbeitsparameter mit den Werten, die dem bekannten Stand der Technik nicht zu entnehmen sind.

In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, daß, wenn auf herkömmliche Weise im selben Spannungsbereich (mit V/erten, die 150 V nicht übersteigen) gearbeitet wurde, wie dies auch bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, Schneidvorgänge ausgeführt werden konnten (mit "vorwiegend oder ganz übertragenem" Bogen, d.h. mit oder ohne Hilfsbogen), die dadurch gekennzeichnet sind, daß die wesentlichen Parameter, wie gesamte Stromdichte, gesamte Energiedichte sowie das Verhält-

2 2

nis Gesamtenergie/Bogengasfluß, unter 85 A/mm , 3,6 kW/mm

bstw. 16 KW/m /h zu liegen scheinen.

Diese durch das kräftige Strömen des Bogengases hervorgerufenen Bedingungen ergeben auf die bekannte Weise einen Plasmastrahl, der von der Wand der Anodendüse durch eine verhältnismäßig nicht sehr heiße Gashülle isoliert erscheint, obwohl der Düsendurchmesser nicht größer ist als der äquivalente Durchmesser- eines nicht-konzentrierten Bogens bei gleicher Länge der Kathoden-Emitterfläche, gleicher Zusammensetzung des Bogengases sowie den gleichen Bedingungen hinsichtlich des Plasmas und der weiteren Parameter, die die Erzeugung des Bogens selbst beeinflussen.

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Durch diese Bedingungen wird zwar einerseits die den Plasmastrahl umgebende Düsenfläche verhältnismäßig gut geschützt, andererseits jedoch zuviel von dem teuren Bogengas verbraucht.

Das Vorhandensein dieser verhältnismäßig kalten Hülle, die den Plasmastrahl von den ihn umgebenden Wänden isoliert, ist dadurch bewiesen, daß in der Praxis folgende Erscheinung festgestellt wurde: Das Streichprofil des Plasmastrahls berührt eine Fläche des Werkstücks, die der Projektion der Düsenfläche auf letzterem entspricht oder darin enthalten ist.

In diesem besonderen Fall besteht die Verbesserung, die ein weiteres Ziel der Erfindung bildet (bezüglich des gas-verengten Elektronenstroms, der entlang und außerhalb der Düsenöffnung in Plasma umgewandelt wird, wobei der Plasmastrom zum elektrodischen Werkstück unter hohen Werten der energetischen und der Aufpralldichte übertragen wird), in einer verbesserten Kühlung der Elektrodenflächen, derart , daß die den Plasmastrahl begrenzenden Flächen, insbesondere diejenigen der Düse, in unmittelbarer Berührung mit dem Plasmastrahl selbst kommen können, ohne eine Zwischenhülle aus verhältnismäßig kühlem Gas zu benötigen.

Daraus folgt, daß das Schnellschneidverfahren unter Anwendung besonderer Energiekonzentrierung, die durch die Verringerung des Düsendurchmessers überraschend erhöht wird, durchgeführt werden kann, was in der Praxis eine verbesserte Schneid wirkung mit gleichzeitiger sparsamerer Zuführung des kostspieligen Bogengases ergibt.

Diese Verfahrenseigenschaft tritt durch ein viel stärkeres

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Wärmegefälle an dem den Plasmastrahl umgebenden Düsenteil und insbesondere durch einen größeren energetischen Gehalt des Plasmastrahls selbst zutage.

Infolgedessen wird der Plasma strahl derart an die Düsenwände gedrückt, daß sich die Plasmasäule an der Düsenmündung ausdehnt, zwar nur in geringem Ausmaß, jedoch genügend, um die von der Streichwirkung des Plasmastrahls berührte Fläche des Werkstücks, die die Projektion der Düse enthält, zu vergrößern.

Neben einer Verbesserung der Schneideigenschaften bietet dieses Verfahren auch günstige Aussichten vom wirt seßhaft liehen Standpunkt aus.

Das Verfahren zur Anwendung für " Schnellschneide¹¹-Vorgänge, wobei Argon als Bogengas benützt wird oder ein Gemisch aus Argon und Stickstoff oder Wasserstoff (vorzugsweise ein Stickstoff-ArgTngemisch in einem Mischverhältnis von 5-75% Stickstoff und 9 5-2 5% Argon, unter besonderer Bevorzugung des eingeschränkten Mischverhältnisses von 20-50% Stickstoff und 80-50% Argon) ist im Rahmen der vorlieg_enden Erfindung dadurch bestimmt und gekennzeichnet, daß die Werte der Betriebsparameter (wie die gesamte Stromdichte, die gesamte Energiedichte und das Verhältnis der gesamten Energie zum

2 Bogengasfluß) festgelegt werden und zwischen 3 0 und 50 A/mm ,

2 3

2,8 und H,5 kW/mm bzw. 30 kW/m /h liegen.

Infolge der erfindungsgemäßen Merkmale ermöglicht die verbesserte Vorrichtung die Verwendung der Plasma strahlen unter besseren Leistungsbedingungen auf den verschiedenen, bereits bekannten technologischen Gebieten der "Sprüh"-, "Saldospray"-, "Plastospray"-, "Schmelzschneide"- und "Schnellschneide"-Ver-

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fahren, bei denen allen die Notwendigkeit besteht, eine starke Wärmequelle bei erhöhter Temperatur verwenden zu müssen.

Zur besseren Klarstellung seien hierzu folgende Ausführungen gemacht:

a) Unter "Sprüh"-V erfahr en wird das technologische Verfahren verstanden, mit dessen Hilfe ein metallischer Stoff (von tief.schmelzendem bis zum feuerfesten Material) oder ein keramischer Stoff oder ein Gemisch dieser Materialien in geschmolzenem Zustand auf eine beliebige Metall- oder Nichtmetalloberfläche aufgesprüht wird, um auf dieser Oberfläche einen Schutzüberzug zu erhalten, der an ihr vorwiegend mechanisch haftet; dabei wird das Material in Pulverform in eine Flamme eingespritzt (in diesem Fall in einen Plasmastrahl mit "nicht übertragenem Bogen"), in der es einem dynamischen Schmelz vor gang unterworfen wird.

b) Unter "Saldospray"-Verfahren wird hier ein ähnliches Verfahren verstanden, das sich auf das Aufbringen eines metallischen Überzugsmaterials auf ein metallisches Unterlagenmaterial bezieht; die entstehende Zwischenflächenzone ist durch deutliche oder vorherrschende metallurgische Bindungen gekennzeichnet, die in einer einzigen Stufe erhärten, d.h. gleichzeitig mit dem Aufsprühen des Überzugsmaterials, das sich in jedem Fall in vollkommen geschmolzenem Zustand niederschlägt und praktisch frei von Undicht he it en ist.

Bei diesem Verfahren ist die. mechanische Haftung von untergeordneter Bedeutung und in machen Fällen sogar ver-

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nachlässigbar gegenüber den vorherrschenden Bindungen metallurgischer Art. Das Aufsprühen und Schmelzen des Überzugsmaterials und die metallurgische Bindung desselben an der Metallunterlage werden dynamisch, unter Verwendung der Energie des "Plasmas mit vorwiegend übertragenem Bogen" bewerkstelligt.

c) Mit "Pia st ο spray"-V er fahren wird hier ein dem "Sprüh"-Verfahren ähnliches Verfahren bezeichnet, bei dem jedoch das Überzugsmaterial organischer Natur ist, genauer gesagt aus einem thermoplastischen oder warmhärtbaren Polymer besteht und, wenn es in Pulverform in den Flammenstrahl (in diesem Fall in einem Plasmastrahl mit "nicht übertragenem Bogen") gespritzt wird, in ihm einer dynamischen Schmelzung unterworfen wird, wonach es sich in Form eines Filmüberzugs auf der Oberfläche des metallischen oder nichtmetallischen Körpers niederschlägt.

d) Mit "Schmelzschneide"-Verfahren wird hier das Verfahren bezeichnet, mit dessen Hilfe elektrisch nichtleitende Stoffe durch örtliches Schmelzen mittels der Energie eines Plasmastrahls mit "nicht übertragenem Bogen" geschnitten werden.

e) Unter "Schnellschneide"-Verfahren wird hier ein Verfahren verstanden, mit dessen Hilfe elektrisch leitende Stoffe, insbesondere mehr oder weniger dicke Metallplatten oder im allgemeinen Metallteile, durch örtliches Schmelzen mit hoher Geschwindigkeit geschnitten oder perforiert werden; das Schmelzen erfolgt mittels der konzentrierten Energie des Plasmas mit "übertragenem Bogen", gekoppelt oder nicht mit einem Plasma mit "nicht übertragenem Bogen", das als Hilfsbogen dient, so daß ent-

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weder der Fall eines "vorwiegend übertragenen¹¹ Bogens oder derjenige eines "ganz übertragenen"Bogens vorliegt.

An dieser Stelle seien auch über die möglichen Plasmaarten einige Ausführungen gemacht. In bekannter Weise können die Plasmabögen, die durch Einblasen eines reaktiven oder inerten Gases oder eines Gemisches dieser Gase (Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff) zwischen der Kathode und der Düse (im allgemeinen Wolframkathode und Kupferdüse) erhalten werden, entweder gemäß dem Typ des "nicht übertragenen Bogens" oder dem Typ des "vollständig übertragenen Bogens" oder auch "

gemäß dem Typ des "gemischten oder gekoppelten Bogens" entwickelt werden.

Beim Plasma mit "nicht übertragenem Bogen" gibt es nur einen elektrischen Stromkreis, in dem die ganze St rom intensität von der Kathode durch das aus der Anodendüse austretende Plasma zu der düsenförmigen Anode übertragen wird, während das dem Plasmastrahl ausgesetzte Werkstück keinen Teil des elektrischen Stromes bildet (s. Schaltbild gemäß Fig. 15 oder 16).

Bei dem Flasma mit "vollständig übertragenen Bogen" gibt es ι

ebenfalls nur einen elektrisc hen Stromkreis, wobei jedoch die ganze St rom intensität von der Kathode auf das Werkstück übertragen wird, das über das von der Düse austretende Plasma als Anode wirkt. In diesem Fall wirkt die Düse ausschließlich als Einengungselement für die Plasmasäule, ohne einen Teil des elektrischen Stromes zu bilden (s. Schaltbild gemäß Fig. 14 oder 19).

Ein Plasma mit "gemischtem oder gekoppeltem Bogen" wird erhalten, wenn sowohl die Düse als auch das Werkstück als Ano-

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den in zwei getrennten parallel geschalteten Leitungen im Stromkreis enthalten sind. In an sich bekannter Weise erfolgt eine solche Verbindung derart, daß die einengende Düse gemäß dem Schaltbild von Fig. 13 oder 18 als Hilfsanode dient. In dieser Anordnung geht durch die Hilfsanode eine elektrische Strommenge, die in der Größenordnung von 5-3 0% des gesamten Stromes liegt, wobei der verbleibende Strom-Prozentsatz von 9 5-70% auf das Werkstück übertragen wird.

Wenn der Plasmastrahlgenerator vom Werkstück entfernt wird, erfolgt in jedem Fall eine Unterbrechung des übertragenen Bogens, während der Hilfsbogen weiterbrennt. Der übertragene Bogen leuchtet automatisch bei der umgekehrten Bewegung, d.h. beim Wieder annäher η der Vorrichtung an das Werkstück, wieder auf, und zwar gerade auf Grund der Anwesenheit des Kilfsbogens, der zur Zündung dient. Für diesen Plasmatyp mit ^gekoppeltem Bogen" ist "Plasma mit vorwiegend übertragenem Bogen" eine zu treffend ere Bezeichnung. Üblicherweise wird dieser Plasmatyp insbesondere bei "Schnellschneide"-, "Schmelzschneide"- und " Saldospray"-Vorgängen benützt.

Die oben genannten verbesserten Anwendungsverfahren (Sprüh"-, ¹¹ Plastospray"-, "Saldospray"-, "Brasospray"- und "Schnellschneide"-Verfahren) werden so gerade auf Grund der besondere Eigenschaften bedingenden räumlichen Konzentration, der Temperatur, sowie der Dynamik und der geometrischen Form des Plasmastrahls erzielt; diese Eigenschaften wurden überraschend mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht, sowie durch die erwähnte deutsche Offenlegungsschrift 1 564 328, deren Gegenstand entsprechend verbessert wurde.'

Die Gesamtabmessungen der Vorrichtung wurden erheblich herabgesetzt, so daß diese nun auch im Innern kleiner rohrför-

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mirger Elemente bis zu einem Mindestdurchmesser von 110 mm und darunter verwendbar ist, wenn sie mit der "Kopf-Ausbildung" bei einem Plasmastrahlaustritt von 45° benützt wird; darüberhinaus wurde die Überwachung und Wartung der Kathode durch die zweifache Möglichkeit des Herausnehmens, nämlich von der Vorder- und der Rückseite her, verbessert und erleichtert (s.Fig.4 und 5). Schließlich wurde eine zusätzliche Luftkühlung mit der bereits an dem Elektroden-Zwischenelement der Vorrichtung nach der erwähnten deutschen Of'fenlegungsschrixt 1 564· 32 8 vorhandenen Wasserküh- I lung kombiniert, wodurch dieses Element (das besonders schwierig und wärmeempfindlich ist, da es aus makromolekularem organischem Material besteht) wirksamer gekühlt und folglich in besonders überhitzter Betriebsumgebung verwendet werden kann.

Nachstehend sind verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beispielsweise näher erSutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerators in Pistolenform; j

Fig.Ibis eine Gruppe auswechselbarer Einsätze im Quer- bzw. Längsschnitt;

Fig. 2 einen Querschnitt des Plasmastrahlgenerators von Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Plasmastrahlgenerators von Fig. 1;

Fig. 4 und 5 Seitenansichten, teilweise im Schnitt, die das

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Herausnehmen der Kathode veranschaulichen;

Fig. 6 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerators in "Kopfform";

Fig. 7 eine Seitenansicht des Generators von Fig. 6;

Fig. 8 einen Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerators in "Kopfform";

Fig. 9 eine Seitenansicht des Generators von Fig. 8;

Fig. 10 bis 12 drei verschiedene Gruppen auswechselbarer Einsätze in Quer- bzw. Längsschnitten;

Fig. 13 bis 19 Schaltbilder für Plasmabogen verschiedener Art.

Der erfindungsgemäße Plasmastrahlgenerator ist in Pistolenform in Fig. 1, 2 und 3 jeweils im Längs- und Querschnitt bzw, in Seitenansicht dargestellt und weist auch die in Fig.Ibis gezeigten Einsätze auf.

Dieser Plasmastrahlgenerator besitzt eine Kathodenröhre negativer Polarität, die den elektrischen Gleichstrom und das Kühlwasser führt und an ihrem Oberteil an ein Verschlußorgan 2 des Kathodenraums angeschweißt ist; letzterer ist mittels vier kleiner, in der Zeichnung nicht dargestellter Schrauben an einem konischen Metallauflager 3 befestigt, das seinerseits mittels Schrauben und/oder Gewinde als auswechselbares Einsatzstück mit einem elektrisch isolierenden Elektroden-Zwischenelement 4 in Verbindung steht.

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Ein Teil der Röhre ragt mittig in die Innseite des Verschlußorgans 2 hinein und spritzt Wasser in die Einkerbung der Kathode 5, die an der Innenwand des Verschlußorgans 2 mittels Schrauben befestigt ist.

Während ihrer Betriebsdauer kann die Kathode bis zu 3 mm vorgeschoben werden, um ihre Abnützung bei der Wolframspitze auszugleichen. Dies geschieht durch einfaches Einsetzen von zusätzlichen Beilag scheiben in die Zwischenflächenzone 6. Dies ermöglicht eine längere Benützung der " Kathode, d.h. deren Lebensdauer wird erhöht und dadurch der Am ort i sat ions pro ζ ent sat ζ der Kathodenelektrode verringert.

Die Kathode 5 ist außerdem dadurch gekennzeichnet, daß sie an ihrem mittleren Teil ihren maximalen ZyIinderdurc!messer aufweist, der an dem sog. O-Ring eine hydraulische Abdichtung bewirkt. Auf diese Weise kann die Kathode zweifach, d.h. sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite aus dem elektrisch isolierenden Zwischenelement herausgezogen werden. Dadurch wird die überwachung und Wartung der Kathode gern α κ Fig. η und 5, die die zweifache herausnehnbarkeit der- a

selben veranschaulichen, wesentlich erleichtert. Der Plasmagenerator weist außerdem folgende Teile auf: ein Antistrahlungsforrnstück 8 aus keramischer. Material, das die Qberflächente^pei^atur an den .vänden der Lichtbogenkammer abschwächt und so die Beeinträchtigung des elektrisch isolierenden makromolekularen organischen Materials, aus dem sie bestehen, verhindert ; einen Anodenträger 10 mit einer Leitfläche und einer Wassersammeirinne 12; die Anode.13; den Anoden-Befestigungsring I¹+, der dazu dient, das Hilfsgas (Schutzoder Kühlungsgas), das durch die Leitung 2H eintritt und mittels eines Kranzes von Verteilungsöffnungen 2.5 ausge-

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BAD ORIGINAL

- 2k -

stoßen wird, zu verteilen} ein Pulver-Einspritzrohr 16; eine Anodenröhre 17 für die Kühlwasserabgabe und die Rückleitung des elektrischen Stromes; ein Rohr 18 zum tangentialen Einleiten des Gases in die Lichtbogenkammer; eine Gaswirbelkammer 19; eine kleine Hilfselektrode 20 zur Lichtbogenzündung durch Funkenbildung an der Anode mit Hilfe eines elektrischen Hilfsstromes.

Das Außengehäuse des Generators besteht aus einem Mittelteil 9, das am Generator körper auf jeder Seite mittels Schrauben von vorne befestigt ist, zusammen mit einem rückwärts angeordneten Ring, der den Generatorkörper mit Hilfe einer dazwischen eingefügten elektrisch isolierenden Hülse 7 festhält, die dazu dient, den elektrischen Kontakt mit dem Kathodenraum zu verhindern·

Am mittleren Gehäuseteil 9 sind mittels Schrauben und Stifte eine vordere Abdeckung 22 sowie eine rückwärtige Abdeckung 23 befestigt; letztere weist eine Zunge 15 auf, die zur Halterung und mechanischen Befestigung des Plasmagenerators d ient.

Schließlich besitzt der Plasmagenerator noch eine kleine Leitung 21, die zum Einblasen von Druckluft für die Kühlung des elektrisch isolierenden Elektroden-Zwischenelements dient. Der Luftstrahl trifft dieses Zwischenelement an seinem unteren Teil, bestreicht dessen Seiten und entweicht nach oben durch den Spalt, der zwischen dem oberen Teil des mittleren Gehäuseteils 9 und dem oberen Teil des Anodenträgers 10 freibleibt. Auf diese Weise wird das elektrisch isolierende Zwischenelement, das für Ober hit zungswirkungen am empfindlichsten ist, durch die vereinigte Wirkung der Wasserströmung in ihm und der äußeren Strömung der zwischen dem Gehäuse und

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der Außenfläche des elektrisch isolierenden Zwischenelements zirkulierenden Druckluft gekühlt.

Dieses doppelte Kühlsystem ermöglicht den Betrieb der Vorrichtung auf praktisch kontinuierliche Weise im Innern kleiner Räume, wo infolge des Plasmastrahls eine besonders überhitzte Umgebung geschaffen wird.

Der Plasmastrahlgenerator kann nicht nur in Pistolenform, λ

sondern auch in Kopfform bei einem Plasmastrahlaustritt von 90° oder in Kopfform bei einem Plasmastrahlaustritt von 4-5° ausgebildet sein, wie aus Fig. 6 und 7 bzw. 8 und 9 hervorgeht. Diese Ausbildungen ergeben keine Abwandlung des funktioneilen Aufbaus des Generators, sondern eine Änderung der äußeren Formgebung desselben, insbesondere hinsichtlich des unteren rückwärtigen Teile.

Für besondere Verwendungen innerhalb enger oder tiff er Teile scheinen diese Generatorausbildungen viel praktischer und handlicher zu sein, vor allem für mechanisierte Arbeitsvorgänge. Weitere Darstellungen dieser Ausführungsformen sind überflüssig, da die bezüglich der Pistolenform gegebenen (

Erläuterungen auch hierfür gültig sind.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Generators ist in jeder Ausführungsform in an eich bekannter Weise wie folgt: Nachdem der Generator mittels in geeigneten biegsamen und handlichen Gummi schlaue hen mit Wasserumlauf angeordneter Kupferlitzen an eine Gleichstromquelle angeschlossen wurde sowie Wasser und das für die Speisung der Bogenkammer ausgewählte Gas in den Umlauf eingeführt wurden, setzt man die

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Elektroden unter elektrische Spannung. Schließlich wird zwischen einer kleinen Hilfselektrode und der Anode ein Funke erzeugt, wodurch die Zündung des Bogens mit einem aus der Düse austretenden Plasmastrahl erfolgt.

Durch die Zündung des Plasmas erfährt die Spannung zwischen den stromlosen Elektroden eine plötzliche Verringerung, während die Stromstärke entsprechend zunimmt. Die Zündspannung von Argon beträgt etwa 70 V, diejenige von P Gemischen aus Argon und Stickstoff sowie aus Argon und

Wasserstoff annähernd 140 V und von Wasserstoff oder Stickstoff etwa 2 80 V.

Wie bereits ausgeführt, eignet sich der erfindungsgemäße Plasmastrahlgenerator zur Anwendung der Plasmastrahlen selbst in zahlreichen, sehr unterschiedlichen Arbeitsbereichen, wie z.B. bei "Sprüh"-, "Saldospray"-, Br a so spray"-, "Plastospray"-, "Schmelzschneide"- und " Schnellschneide" V ergangen.

Die Möglichkeit, die Verwendung der Vorrichtung von dem ei-. nen auf das andere Anwendungsgebiet zu verlegen, wurde da-

W durch geschaffen, daß die Elektrodenpaare hinsichtlich der

wassergekühlten Flächen und der inneren, mit dem Argongas und dem Plasmastrahl in Berührung stehenden Flächen besonders gestaltet sind. Diese erfindungsgemäße Formgebung ergab überraschend optimale Leistungen der Vorrichtung bei ihren verschiedenen Verwendungen· Die geometrische Ausgestaltung der Innen- und Außenflächen der Elektrodenpaare, die in enger Verbindung mit den bereits beschriebenen Verfahrens-Kennzeichen einen weiteren Teil der Merkmale der Erfindung bildet, kann durch Benützung einzelner auswechselbarer Einsatzstücke an der Vorrichtung jeweils rasch und einfach verändert werden.

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Diese auswechselbaren Einsätze stellen gegenüber der erwähnten deutschen Offenlegungischrift 1 564 328 eine weitere Verbesserung dar und sind in solcher Anzahl vorgesehen, daß alle die verschiedenen, oben aufgezählten Arbeitsvorgänge zufriedenstellend ausgeführt werden können, wodurch dem erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerator eine große Vielseitigkeit bzw» Anpassungsfähigkeit in der Verwendung verliehen wird»

Die erste Gruppe dieser auswechselbaren Einsätze ist in Fig.l ä

zusammengesetzt und in Fig«Ibis einzeln dargestellt» Sie besteht au β der Kathode 5, der Anode 13, dem Anoden-Befestigungsring 14 mit der Leitung 21 zum Zuführen des Hilfsgases (das durch den Ring von Öffnungen 2 5 eingeblasen wird) und mit dem Rohr 16 zur Zuführung des Beschichtungsmaterials. Diese Gruppe eignet sich in der Praxis für das "Sprüh"-, "Brasospray"- und "Sa Id ο spray"-V er fahr en unter Benützung von Plasma strahlen aus einem Edelgas, vorzugsweise Argon*

Eine zweite Gruppe auswechselbarer Einsätze ist aus Fig. 10 ersichtlich. Sie umfaßt die Kathode 5, die Anode 13, einen inneren Anodenadapter 26, einen äußeren Anodenadapter 2 8, einen Sp err ing 27, sowie das Zuführungsrohr 16 des Oberzugs- {

materials. Diese Gruppe von Einsätzen eignet sieh für Verwendungen im "Sprüh"-Verfahren bei Benützung von Plasmastrahlen aus Nicht ed elga sen, wie Stickstoff und/oder Wasserstoff, vorzugsweise Stickstoff.

Fig. 11 zeigt eine dritte Gruppe von auswechselbaren Einsätzen, die folgende Teile umfaßt: die Kathode 5, die Anode 13, einen inneren Anodenadapter 26, einen äußeren Anodenadapter 28, einen Sperr ing 27, ein Zuführungsrohr 16 für das Be schic htungsmaterial, eine Leitung 2 4 zum Zuführen von Hilfsgas

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(Stickstoff und/oder Luft, vorzugsweise Stickstoff), das durch einen Ring aus gefrästen Kanälen 29 sowie durch den äußeren, hufeisenförmig angeordneten Ring von Öffnungen 30 eingeblasen wird.

Diese dritte Gruppe auswechselbarer Einsätze eignet sich für die Verwendung bei "PlastOBpray^ll-Vorgängen, wobei Plasmastrahlen aus Nifchtedelgasen, wie Stickstoff und/oder Wasserstoff, vorzugsweise Stickstoff, benützt werden.

Fig, 12 zeigt eine vierte Gruppe auswechselbarer Einsätze, bestehend aus der Kathode 5, der Anode 13, einem einzigen Anodenadapter 2 6 sowie einem Sperring 27, der gleichzeitig zum Verteilen des Hilfsgasee dient, das über die am Anodenadapter befestigte Leitung 2 4 eingeführt und durch den Ring aus Offnungen 31 eingeblaeen werden kann; letztere können wahlweise auf dem Vorderteil der Anddendüse 13 angeordnet sein.

Diese vierte Gruppe auswechselbarer Einsätze eignet sich für "Schnell8chneide^H-Vorgänge, wobei als Bogengas Argon oder Gemische aus Argon und Stickstoff oder Argon und Wasserstoff, vorzugsweise Argon-Stickst of fgasg_emisch aus 95-25% Argon und 5-75% Stickstoff, benützt werden, wobei dem eingeschränkten Bereich von 80-50% Argon und 20-50% Stickstoff besonderer Vorzug gegeben wird.

Während die geometrische Form der wassergekühlten Kathodenflächen bei allen vier Gruppen der beschriebenen Einsätze die gleiche geblieben ist, wie bei der Vorrichtung gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 564 32 8 - d.h. direkte Kathodenkühlung durch Einspritzen des Kühlwassers senkrecht und mittig auf die rückwärtige Kathodenfläche - , wurde die

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geometrische Form der gekühlten Flächen der Düse 13 derart verbessert, daß das Wasser in jedem Fall in gleicher Richtung mit dem Plasmastrahl gefördert wird. Es kommt mit Wärme austauscherflächen 32 mit zylindrischer oder konischer Gestalt in Berührung, welche mit anderen, aus einer oder mehre ren ringförmigen Rillen bestehenden Wärmeaustauscher flächen 32 verbunden sind, wobei das Wasser durch diese Rille oder Rillen in peripherem Sinn und gegenläufig zum Plasmastrahl zum Ausfluß geleitet wird (s. Fig. Ibis, 10, 11 und 12).

Aus Fig.' 10 und 11 ist ein besonderer Fall ersichtlich, in dem die Wärmeau st au se her flächen der Düsenanode aus zylindrischen Flächen von Bohrungen 32',die das Wasser mit dem Plasmastrahl gleichlaufend leiten, sowie aus abwechselnd angeordneten Flächen gerader Rillen 33* bestehen, durch welche das Wasser in peripherem Sinne und bezüglich des Plasmastrahls in entgegengesetzter Richtung zum Ausfluß geleitet wird.

Die innere Ausbildung der Vorrichtung, bei der der Bogen in Form von Plasma entsteht und fließt, resultiert genau, in Form einer ringförmigen Öffnung für den Fluß, aus der koaxialen Gestaltung der zylindrischen Kathode, die nur in einer konischen Spitze ausläuft, sowie aus deren im Abstand angeordneter Befestigung im konischen Teil, mit dem die zylindrische Düse innen versehen ist.

Für die Gruppe von Einsätzen gemäß Fig.Ibis, die für Plasmastrahlen aus Edelgasen, vorzugsweise Argon, geeignet sind, beträgt die Konizität der Kathode und der Düsenanode zwischen 53° und 63° bzw. zwischen 61° und 71° und entspricht vorzugsweise dem jeweiligen Wert von 58° für die Kathode und 66° für die Düsenanode.

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In dieser Gruppe von Einsätzen ist die Kathode dadurch gekennzeichnet, daß ihr konisches Ende abgeschnitten ist, und zwar bei einem Radius zwischen 0,75 und 1,5mm, vorzugsweise bei 1,2 5 mm.

Für de Gruppe von Einsätzen gemäß Fig. 10 und 11, die für Stickstoff und/oder Wasser st off plasma, vorzugsweise Stickstoffplasma, geeignet sind, beträgt die Konizität der Kathode und der Düse zwischen 85° und 9 5° bzw. zwischen 54° und 64° und entspricht vorzugsweise jeweils dem Wert von 90° für die Kathode und 59° für die Düsenanode.

Für die Gruppe von Einsätzen gemäß Fig. 12, die für gemischte Plasma strahlen aus Argon-Wasserstoff oder vorzugsweise aus Argon-Stickst off geeignet sind, beträgt die Konizität der Kathode und der Düsenanode zwischen 3 5° und 45 bzw. zwischen 18 und 22 und entspricht vorzugsweise jeweils dem Wert von 40° für die Kathode und 20° für die Düsenanode.

Bei den Gruppen gemäß Fig. 10, 11 und 12 weist die Kathode ein abgeschnittenes Ende mit flacher Oberfläche auf, die bezüglich der Achse senkrecht ist und einen Durchmesser zwischen 1,4 und 1,8 mm, vorzugsweise von 1,6 mm aufweist.

Bei der Einsatzgruppe gemäß Fig.Ibis, 10 und 11 ist die Kathode im konischen Teil der Düse in solchem Abstand befestigt, daß bei der ersten oder zweiten oder dritten Einsatzgruppe die Kathodenspitze mit dem Beginn des zylindrischen Teils der Düse mit einem A bwe ic hu ng s bereich von ^ 2 ram in einer Ebene liegend erscheint.

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Bei der vierten Gruppe der Einsätze gemäß Fig. 12 ist die Kathode im konischen Teil der Düse in solchem Abstand befestigt, daß die Kathodenspitze von der äußeren Düsenspitze in einem Abstand zwischen 5 und 10 mm, vorzugsweise 8 mm, zu liegen kommt*

Die beschriebenen Ausführungsformen des Plasmastrahlgenerators haben einen weiten Anwendungsbereich, so daß sie gerade auf Grund ihrer überraschenden Leistungsfähigkeit ä

die bereits erläuterten, verschiedenen Anwendungsverfahren ermöglichen, die sich durch intensivere Belastungen und Energiedichten auszeichnen und so Arbeitsergebnisse von größerer praktischer Bedeutung erzielen.

Nachfolgend sind zur besseren Veranschaulichung, jedoch nicht zur Einschränkung der vorliegenden Erfindung, acht Beispiele für die verschiedenen, erfindungsgemäß betrachteten Anwendungsbereiche aufgeführt, deren hauptsächliche Betriebsangaben in der Tabelle 1 zusammengefaßt wurden. Um diese Angaben zu vervollständigen, «erden in folgenden noch einige Einzelheiten vermerkt, die sich auf jedes der acht Beispiele beziehen und den jeweiligen Verwendungs- '

typ sowie die jeweils erzielten Versuchsergebnisse betreffen, unter Berücksichtigung der besonderen Untersuchungsbedingungen.

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CD 00 CD

cn Ni CD

TABELLE 1	mm	Schut zbeschxchtung	1	2	3	4	5	Schnellse hneid en	6	7	8
		5	5.5	5	6.5	5	3	3	3
Beispiel	2 A/mm	Stick stoff	Argon	Stick stoff	Argon	Argon	Argon mit 50 % Stick stoff	Argon mit 33,3% Stick stoff	Argon mit 33,3 % Stick stoff
DUsendurehmesser	kW/mm2	12.75	25.5	13.26	13.64 12 ill	17.86 2.55	38.2 31.8	41 34.6	42.4 35.3
Bogengase		1.15	0.89	1.06	0.518 0.461	0.536 0.0765	3.49 2.90	3.48 2.94	3.99 3.32
Stromdichte ) ganz der Anoden- ) über- düse ) tragen	kW/m3/h	12.5	15.33	12.01	11.88	11.65	17.56	20.55	18.8
Energ ied ic h-) ganz te der Ano- ) über- dendüse ) tragen		S.	S.	P.S.	S.S.	B. S.	Ra.C.	Ra. C.	Ra.C.
Ver- Gesamt energie	Fig.	10	1	11	1	1	12	12	12
JJf"" Bogengasfluß
V erwendungsart
Art der Elektro denschaltung

co co co ro

Fortsetzung der Tabelle 1

ο co co

CT) NJ CD

	Sc hut ζ b e se hie ht ung	Fig.	15	15	15	13	15 vor und' 13 nach	Schnellschneiden	13	13	13
Schaltung zur Vorrichtung		Aq. 42	AISI-304	Eisen A-OO	Aq. 42	Aq. 42	Alumi nium	Kupfer	Rostfreia? Stahl
Bearbeitete Metallart	mm.	Schicht 60x50x5	Schicht 60x50x4	Rohr jD2OO-h5O	Platte 3 50x40x15	Platt e 3 50x40x15	Platte S=IO	Platte S=IO	Platte S=IO
Abmessungen des bearbeite ten Metalls	cm/1	-	-	-	-	-	170	92	34 .
Schneidege schwindigkeit		Al2O3	ZrO2	Poly äthylen harz	Nickel Chrom	Nickel	-	-	-
Überzugsma terial in Pulverform	Mesh	-325 + 500	-270 + 400	-150 + 325	-150 +270	-200 + 325
Korngröße des Überzugsma terials

Abkürzungen: S.-s Spray; B. S. = Brasosprayj S.S. =

Saldospray; P.S. ; Ra.C.:

Plastospray;

Sc hne11se hneid en

OJ to (λ) NJ Ol

- 3 tf -

Beispiel 1

Ein Überzug aus Al₂O₃ mit einer Stärke von 0,2 5 mm wurde aufgebracht, um eine elektrische Isolierung zu erzielen, die für eine Temperatur von 500 C wirksam ist. Nachdem das so hergestellte Muster in einem Muffelofen vier Stunden lang bei Luftatmosphäre auf 500⁰C gehalten wurde, wurde der Grad der elektrischen Isolierung geprüft und ergab sich als vollkommen positiv, als die verschiedenen Bereiche der aufgebrachten Beschichtung mit den Spitzen eines elektrotechnischen Prüfgeräts wiederholt und unter kräftigem Andrücken berührt wurden.

Beispiel 2

Ein Überzug aus ZrO₂» stabilisiert mit etwa 4,5% CaO, wurde in einer Stärke von 0,3 5 mm aufgebracht, um eine Schutzschicht gegen Wärmeoxydation zu erhalten,- die gegen plötzliche Wärmeschockwirkungen widerstandsfähig ist. Das erzielte Ergebnis ist völlig positiv, da das hergestellte Muster ohne irgendeine Beschädigung des aufgebrachten Überzugs einer Reihe von (mehr als 20) Wärmeschocks standhält. Diese Wärmeschocks wurden durchgeführt, indem gegen die Stirnseite des Musters aus einem Abstand von 5 cm ein Azetylensau er st off gasstrahl gerichtet wurde (0,275 1/sec für C₂K₂; 0,265 1/sec für O₂ bei 17°C und 746 mm Hg), um die Temperatur der Metallmaske auf etwa 500 C zu bringen. An diesem Punkt wurde abwechselnd ein plötzlicher direkter Wasserstrahl von 15°C angewandt; so wurde eine zyklische Folge von heißen und kalten Strahlen ausgsführt. Bemerkt sei noch, daß bei einer Temperatur der Metallmasse von 500⁰C diejenige des keramischen Überzugs etwa 1500° an der zentralen, vom Azetylensauer st off gasstrahl getroffenen Stelle beträgt.

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Beispiel 3

Ein Oberzug aus Polyäthylenmaterial wurde in einer Stärke von 0,5 mm aufgebracht, um einen Schütz gegen Korrosion im Salzbad zu erzielen. Das Ergebnis war positiv, da das Muster sowohl an seinem eingetauchten Teil als auch an seinem während der Korrosionstests aus dem Salzbad herausragenden Teil in einwandfreiem Zustand erhalten blieb, wobei es während einer Zeit von über 1000 Stunden bei Raumtemperatur in diesem Bad gehalten wurde.

Beispiel **

Ein Überzug aus Chromnickel 20-80 wurde in einer Stärke von etwa 0,05-0,1 mm in Form eines Streifens von ca. U-5 mm Breite aufgebracht, gerade wie er während jeden Durchgangs am Unterlagenelement entsteht, mit dem sich das Oberzugematerial durch eine Ober fläc hensc hwe ißu ng verbindet* Der so hergestellte Ober zug hält tatsächlich einem Biegeversuch zu einem Bogen mit einem Radius von 280 mm vollkommen stand.

Beispiel 5

Ein Nickelüberzug mit einer Stärke von etwa 0,2 5 mm wurde

durch das Verfahren in zwei einzelnen Phasen aufgebracht, i

wobei sich die aus der Tabelle ersichtlichen Angaben auf die elektrothermische Behandlung der zweiten Phase beziehen.

Die zu der ersten, d.h. der Sprüh-Phase gehörenden Angaben werden erhalten, indem von den Daten der Tabelle die Vierte gestrichen werden, welche die Stromdichte und die Energie des übertragenen Typs angeben. Der so erhaltene Ober zug zeigte eine erhöhte Zwischenflächenhaftung, während er selbst seine charakteristische, vom Sprüh-Nieder schlag herrührende

Oberflächenrauhheit beibehält.

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Beispiele 6. 7 und 8

Das Schneidergebnis der verschiedenen betrachteten Metalle erscheint verbessert, und zwar auf Grund der vollständigen Beseitigung der Grate, insbesondere an den unteren Rändern, sowie einer Schnittwand, die beim Schneiden von rostfreiem Stahl besonders senkrecht und beim Schneiden von Kupfer besonders glatt ist.

Nachfolgend werden die Figuren 13 bis 19 unter Angabe der Bedeutung der verschiedenen Bezugszeichen näher erläutert:

Fig. 13 zeigt ein Schaltbild eines Plasmas mit "vorwiegend übertragenem¹¹ oder "schwach übertragenem" Bogen. Die verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutungen:

1 s Leitung für Wasser und Strom, die in den Kathodenraum

5 eintritt}

2 = Leitung für Wasser und Strom, die vom Anodenraum 6 aus

geht;

3 = Anodenleitung zur Verbindung mit dem Werkstück 14;

4 s Zwischenelektroden-Elektro-Isolierteil des Plasmastrahl

generators;

5 = Kathodenraum des Plasmastrahlgenerators;

6 s Anodenraum des Plasmastrahlgenerators;

7 = Hilf s-Zündelektrode zum Zünden des Plasmastrahlgene

rators;

8 = Zündgenerator;

9 = einstellbarer Rheostat mit V.'ass er kühlung. Wenn der

eingesetzte Widerstand hoch ist, fließt der Strom vorwiegend durch die Leitung 3 ("Plasma mit vorwiegend übertragenem Bogen"); wenn jedoch dieser Widerstand schwach ist, fließt der Strom vorwiegend durch die Leitung 2 ("Plasma mit schwach-übertrag en em Bogen");

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10 = Anoden-Verbindungsleitung;

11 = Anodenleitung, die wieder zur Vorrichtung 13 führt;

12 s Kathodenleitung, die von der Vorrichtung 13 ausgeht;

13 = Gleichrichtervorrichtung für den elektrischen Strom;

14 s Werkstück in anodischer Verbindung;

15 = Zuleitung für den einphasigen Wechselstrom zum

Zündgenerator 8;

16 = Zuleitung für den dreiphasigen elektrischen Wechsel

strom zur Gleichrichtervorrichtung 13.

Fig. 14 stellt ein Schaltbild eines "ganz übertragenen" Plasmabogens dar. Die Bedeutung der Bezugszeichen bleibt dieselbe, wie für Fig. 13 angegeben.

Es sei jedoch erwähnt, daß in die Anoden-Verbxndungsleitung 10 ein Schmelzeinsatz 17 eingefügt ist, der nach dem Zünden des Plasmastrahls durch sein Schmelzen den Stromdurchgang durch die Anodenleitung 2 unterbricht, so daß nunmehr der gesamte Strom über die Anodenleitung 3 durch das Werkstück hindurchfließt, wodurch die Bedingung des "ganz übertragenen" Plasmabogens erfüllt ist.

Fig. 15 zeigt ein Schaltbild eines Plasmas mit "nicht übertragenem" Bogen. Die mit Bezug auf Fig. 13 gegebenen Bezeichnungen sind auch hier gültig; bemerkt sei jedoch, daß das Werkstück 14 keinerlei elektrische Verbindung besitzt, während die Anodenleitung 3 mit der Anodenleitung 2 unter Ausschluß des Rheostaten 9 aus dem elektrischen Stromkreis verbunden ist. Zwecks vollkommenen Ausschließens des

Rheostaten ist auch die Leitung 10 vorgesehen. Als einzige Anode dient die Düse, ebenso wie bei Fig. 16.

Fig. 16 stellt das Schaltbild eines "nicht übertragenen"

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Plasmabogens mit zwei Strom zuführung en dar. Die Bedeutung der verwendeten Bezugszeichen ist folgende:

I und 2 = Kathodenleitungen, ausgehend von den beiden

Vorrichtungen 15 und 14;

3 = Leitung für Fließwasser, die in den Kathodenraum

5 mündet;

4 s elektrischer Zwischenelektroden-Isoliert eil für den

Plasmastrahlgenerator;

5 s Kathodenraum des Plasma Strahlgenerator sj

6 = Anodenraum des Plasmastrahlgenerators;

7 = HiIfs-Zündelektrode zum Zünden des Plasmastrahlgenerators;

8 = Zündgenerator;

9 = Leitung für Wasser und Strom, die vom Anodenraum

6 ausgeht;

II und 12 = Anodenleitungen, die zu den zwei Vorrichtungen 15 und 14 zurückführen;

13 = Werkstück, das aus dem elektrischen Stromkreis

ausgeschlossen ist;

14 s elektrische Vorrichtung zum Gleichrichten niedriger

Leistung;

15 s elektrische Vorrichtung zum Gleichrichten höherer

Leistung;

16 = Zuführungsleitung des einphasigen Wechselstromes

zum Zündgenerator 8;

17 und 18 = Zuführungsleitung des dreiphasigen elektrischen Wechselstromes zu den Gleichrichter vorrichtungen 14 und

Fig. 17 stellt ein Schaltbild für eh Plasma mit "schwach übertragenem" Bogen mit zwei Strom Zuführungen dar. Die mit Bezug auf Fig. 16 gegebenen Bezeichnungen bleiben auch hier

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gültig, mit dem Unterschied, daß die Leitung 12 von der Leitung 9 getrennt und an das Werkstück 13 mittels der Verbindungsleitung 10 angeschlossen ist und als Hilfsanode dient·

Fig. 18 zeigt ein Schaltbild für ein Plasma mit "vorwiegend übertragenem" Bogen mit zwei Stromzuführungen. Auch hier bleiben die bezüglich Fig. 16 gegebenen Bezeichnungen gültig, mit dem Unterschied jedoch, daß die Leitung 11 von der Leitung 9 getrennt und über die Verbindungsleitung 10 an das Werkstück 13-angeschlossen ist. "

Fig. 19 stellt ein Schaltbild für ein Plasma mit ganz Übertragenem Bogen mit zwei Stromzuführungen dar. Die für Fig. 16 angegebenen Bezeichnungen sind auch hier gültig, mit dem Unterschied, daß die Leitungen 11 und 12 über die Verbindungsleitungen 10 und lObis an das Werkstück 13 angeschlossen und die vorherigen Verbindungen mit der Leitung 9 unterbrochen sind; diese werden durch Schmelzverbindungen ersetzt, die durch ihr Schmelzen den Stromfluß in Leitung 9 sofort nach dem Zünden des Plasmastrahls unterbrechen, so daß der gesamte Strom auf das Werkstück übertragen wird.

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Claims (3)

Pat entansprüc he

1. Plasmastrahlgenerator mit vielseitiger Verwendbarkeit und großer Anpassungsfähigkeit, bestehend aus einem Kathodenträger, einer Stabkathode und einer Düsenanode in koaxialer Stellung zueinander, einem Anodenträger und einem elektrisch-isolierenden Elektroden-Zwischenelement, mit· einem Kühlsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe des Kühlsystems im Kathodenraum einen Wasserstrahl gegen die Rückseite der Kathode spritzen und Wasserdurchlässe in dem elektrisch-isolier end en Elektroden-Zwischenelement vorgesehen sind, durch die das Kühlwasser in einer umfänglichen Fließbewegung, die mit dem Plasmastrahl koaxial und gleichgerichtet ist, durch das Zwischenelement zur Anode strömt und diese kühlt, wobei der Generator in einem Betriebsspannungsbereich zwischen 2 5 und 150 V arbeitet.

2. Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendbarkeit eines auswechselbaren Satzes von vier elektrodischen Einsatzgruppen (Kathode und Düse mit oder ohne Ada pt or en), von denen die erste (Fig. Ibis) im wesentlich aus einer kurzen Düsenanode und einer langen Stabkathode besteht und geeignet ist für "Sprüh"- oder "Saldospray"- oder "Brasospray"-Verfahren bei einer Betriebsspannung von nicht höher als 60 V zur Aufbringung metallischer oder keramischer oder gemischter Schutzüberzüge, von denen die zweite (Fig. 10) im wesentlichen aus einer langen Düsenanode und einer kurzen Stabkathode besteht und geeignet ist für "Sprüh"-Verfahr en bei einer Betriebsspannung von höher als 60 V, zur Aufbringung von metallischen oder keramischen oder gemischten Schutzüberzügen, von denen die dritte (Fig. 11) im wesentlichen aus einer sehr langen Düsenanode und

Unterlagen (Art 7 ■ §I Ata. 2 Nr. 1 Satz 3 de« Anderungages. v. 4.9.1967] 009886/0629

einer kurzen Stabkathode besteht und geeignet ist für ^llPlastospray"~Verfahren bei einer Betriebsspannung von höher als 60 V, zur Aufbringung von organischen makromolekularen thermoplastischen oder warmhärtenden Schutzüberzügen, von denen die vierte (Fig. 12) im wesentlichen aus einer sehr kurzen und kleinen Düsenanode und einer langen Stabkathode besteht und geeignet ist für "Schnellschneide"-Verfahren mit einer Betriebsspannung

von höher als 60 V, zum Warm schneid en verschiedener hitze- *

beständiger metallener Stoffe oder Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit .

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Düsenanode dienenden Einsätze als Wärmeaustauscherflächen zylindrische oder konische Flächen (32), die das Wasser in gleicher Richtung mit dem Plasmastrahl leiten, sowie Flächen einer oder mehrerer ringförmiger Rillen (33) aufweisen, durch die das Wasser in peripher em Sinn und bezüglich des Plasmastrahls gegenläufig zum Abfluß geführt wird (Fig.Ibis, 10, 11 und 12).

H, Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß (

die Wärmeau st au se her flächen der als Düsenanode dienenden Einsätze zylindrische Flächen von Bohrungen (32¹), die das Wasser in gleicher Richtung mit dem Plasmastrahl leiten, sowie abwechselnd angeordnete Flächen gerader Rillen (33') aufweisen, durch die das Wasser in peripherem Sinn und bezüglich des Plasmastrahls gegenläufig zum Abfluß geführt wird (Fig. 10 und 11).

5. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Elektroden-Einsätze geschaffene und an sich bekannte ringförmige Innenausbildung (die mit dem Bogengas

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in Berührung steht), eine koaxiale zylindrische Kathode aufweist, die in nur einer konischen Spitze in einem die Innenseite der zylindrischen Düsenanode bildenden konischen Teil endet (Fig.Ibis, 10, 11 und 12).

6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ,daß bei Verwendung desselben mit der ersten Einsatzgruppe, die bei einer Spannung von nicht höher als 60 V arbeitet, wie es bei Benützung von Edelgasen, vorzugsweise Argon, der Fall ist, die Konizität der Kathode und der Düsenanode jeweils zwischen 53° und 63° bzw. zwischen 61° und 71° beträgt

7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugten Konizitätswerte derKai/iode und der Düsenanode 58° bzw. 66° betragen.

8. Generator nach den Ansprüchen 5,6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Spitze der Kathode bei einem Radius zwischen 0,75 und 1,5 mm, vorzugsweise bei 1,2 5 mm, abgeschnitten ist.

9. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung desselben mit der zweiten oder dritten Einsatzgruppe, die bei einer Spannung von höher als 60 V arbeitet, wie dies bei Benützung von Stickstoffgas und/oder Wasser stoff gas der Fall ist, die Konizität der Kathode und der Düse jeweils zwischen 85° und 9 5° bzw. zwischen 54° und 6H° beträgt.

10. Generator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugten Konizitätswerte derKattode und der Düse 90° bzw. 59° betragen.

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11. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung desselben mit der vierten Einsatzgruppe, die mit einer Betriebsspannung von höher als 60 V arbeitet, wie dies bei der Benützung von Gasgemischen aus Argon und Stickstoff oder Argon und Wasserstoff der Fall ist, die Konizitat der Kathode und der Düee jeweils zwischen 3 5° und »»5° bzw. zwischen 18° .und 22° beträgt.

12. Generator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugten Konizitätswerte derKAtode und der Düse 10° bzw* 20° betragen.

13. Generator nach den Ansprüchen 5, 9, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Kathodenspitze abgeschnitten ist und eine ebene Fläche aufweist, die bezüglich der Kathodenachse senkrecht verläuft und deren Durchmesser zwischen 1,4 und 1,8 mm, vorzugsweise 1,6 mm, beträgt.

IH. Generator nach den Ansprüchen S bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß bei der ersten oder zweiten oder dritten Einsatzgruppe die Kathodenspitze mit dem Beginn des zylindrischen Düsenteils mit einer Abweidung in der Größenordnung von i 2 mm in gleicher Ebene liegt.

15, Generator nach den Ansprüchen 5, 11, 12 und .13 , dadurch gekennzeichnet, daß bei der vierten Einsatzgruppe die Kathode mit der Düse derart koaxial zusammengesetzt ist, daß zwischen der Kathodenspitze und der (äußeren) Düsenspitze ein Abstand besteht, der zwischen 5 und 10 mm, vorzugsweise 6 mm, beträgt.

16. "Sprüh"-Verfahren_t gekennzeichnet durch die Verwendung des Plasmastrahlgenerators nach den Ansprüchen 1 bis 10, 13

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und IH sowie mittels der ersten oder zweiten Einsatzgruppe und durch die Schaltung für das Plasma des "Nicht-übertragenen-Bog en-Ty ρ s" gemäß dem Schaltbild von Fig. 15 oder 16, wobei die Düse die einzige Anode ist und sich das Werkstück außerhalb des elektrischen Stromkreises befindet.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Verwendung von Argon oder Stickstoff und/oder Wasserstoff als Bogengas.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Energiedichte, die Stromdichte und das Verhältnis von Energie/Bogengasfluß jeweils

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in den Größenordnungen von 0,5-1,8 kW/mm , 10-3 5 A/mm und

10-20 kW/m³/h liegen.

19. ^MPlastospray"-Verfahren, gekennzeichnet durch die Verwendung des Plasmastrahlgenerators nach denAiaprüchen 1,2, H, 5, 9, 10, 13 und IH sowie mittels der dritten Einsatzgruppe und durch die Schaltung für das Plasma des "Nicht übertragenen-Bogen-Typs" gemäß dem Schaltbild von Fig. 15 oder 16, wobei die Düse die einzige Anode ist und sich das Werkstück außerhalb des elektrischen Stromkreises befindet«

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekenneeichnet, daß als Bogengas Stickstoff und/oder Wasserstoff, vorzugsweise Stickstoff ,Verwendung findet.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der in Anspruch 18 angegebenen Werte ein Hilfsstrahl aus Inertgas durch einen Ring von gefrästen, koaxial zum Plasmastrahl angeordneten Kanälen (25) eintritt, so daß dieses Hilfsgas in einem Abstand zwischen 10 und

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3 5 nun von der Düsenvorderseite mit dem Plasmastrahl zusammentrifft .

22. Verfahren nach Anspruch 2I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Konizität des so ehgeblasenen Hilfsgaskegels im Bereich zwischen 20 und 40 liegt.

23. Verfahren nach den Ansprüchen 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung des Überzugsmaterials λ vom makromolekularen organischen Typ zum Plasmastrahl hin von der Vorderseite des äußeren Anodenadaptors (2 8) aus einer bezüglich des Rings von gefrästen Kanälen (29) außenliegenden Stellung erfolgt.

24. Verfahren nach den Ansprüchen 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Hilfsgas Stickstoff und/oder Luft, vorzugsweise Stickstoff, verwendet wird.

25. "Brasospray"-Verfahren, vorzugsweise unter Verwendung des Pia sma strahlgenerat or s nach den Ansprüchen 1,2,3,5,6, 7,8 und 14 und mittels der dritten Einsatzgruppe, gekennzeichnet durch das Aufbringen eines Überzugs auf ein Werk- I stück, das gleichzeitig und/oder anschließend einer elektrothermischen Behandlung mittels Plasmastrahlen mit übertragenem Bogen unterzogen wird, (entsprechend dem Diagramm in Fig. 17 oder 13), wobei das Werkstück als Hilfsanode im elektrischen Stromkreis dient, so daß auf das derart überzogene Werkstück Werte von Energie- und Stromdichte im Bereic
den.

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reich von 25 bis 2 50 W/mm bzw. 1 bis 6 A/mm angewandt wer-

2 6. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß als Bogengas ein Edelgas (Argon, Helium usw.), vorzugsweise Argon, verwendet wird.

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- ns -

2 7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 5 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial aus einem oder mehreren Metallen besteht.

28. Verfahren nach den Ansprüchen 2 5 bis 27, dadurch gekennzeichnet , daß es in einer einzigen Phase und mit einer einzigen Vorrichtung durchgeführt wird, wobei das Aufbringen des Überzugs metallischer Art gemäß den Betriebsangaben für das "Sprüh"-Verfahren nach Anspruch 18 gleichzeitig mit der angeschlossenen elektrothermischen Behandlung mittels eines Plasmastrahls vom "schwach-übertragenen" Bogen-Typ gemäß Fig. 13 oder 17 erfolgt, wobei das Werkstück als Hilfsanode im elektrischen Stromkreis dient und wonach die beschichtete Fläche der genannten elektrot hermischen Behandlung unterworfen wird.

29. Verfahren nach den Ansprüchen 2 5 bis 2 7 und wahlweise Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß es vorzugsweise in zwei Phasen mit einer oder zwei Vorrichtungen durchgeführt wird, wobei nach dem herkömmlichen "Aufsprühen" gemäß Anspruch 18 eine elektrot hermische Behandlung des so beschichteten Werkstücks erfolgt, und zwar mittels eines Plasmastrahls, geschaltet in einen ganz übertragenen Bogen (wie z.B. Fig. 14 oder Fig. 19), wobei sich die Düse außerhalb des elektrischen Stromkreises befindet, während das Werkstück die einzige Anode im elektrischen Stromkreis darstellt, oder geschaltet in einen vorwiegend übertragenen Bogen (wie z.B. Fig. 13 oder Fig. 18), wobei die Düse die Hilfsanode ist, während das Werkstück die Hauptanode im elektrischen Stromkreis darstellt, oder geschaltet in einen schwach übertragenen Bogen (wie z.B. Fig. 13 oder Fig. 17), wobei die Düse die Hauptanode ist, während das Werkstück die Hilfs-

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anode im elektrischen Stromkreis bildet, so daß in jedem dieser Fälle bei den Verfahren zum Beschichten von Oberflächen Werte der Energiedichte und der Stromdichte in Anwendung kommen, die in der Größenanordnung nach Anspruch 25 liegen·

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß beide Arbeitsvorgänge der zwei Phasen vorzugsweise mit einer einzigen Vorrichtung in einer schwach übertragenen Bogenschaltung gemäß Fig. 13 oder 17 durchgeführt werden.

31. Verfahren nach den Ansprüchen 2 5 bis 30, gekennzeichnet durch die Verwendung für Schutzüberzüge aus einer oder mehreren Schichten, wobei die wahlweise aufeinanderfolgenden metallischen und nichtmetallischen Schichten im ^MSprüh^M-Verfahren aufgebracht werden.

32. "Schnellschneide^M-Verfahren, vorzugsweise unter Verwendung des Pia sma strahlgenerat or s nach den Ansprüchen 1,2,3,5, 11,12,13 und 15 sowie mittels der vierten Einsatzgruppe und einer ganz übertragenen Bogenschaltung (wie z.B. Fig. 14 oder Fig. 19), wobei sich die Düse außerhalb des elektrischen Stromkreises befindet, während das Werkstück die einzige Anode im elektrischen Stromkreis darstellt, oder einer vorwiegend übertragenen Bogenschaltung (wie z.B. Fig. 13 oder Fig. 18), wobei die Düse äie Hilfsanode ist, während das Werkstück die Hauptanode im elektrischen Stromkreis darstellt , dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit höherer Energiekonzentration im Plasmabogen durchgeführt wird, so daß die Werte für Energiedichte, Stromdichte und die Verhältnisse von Energie/Bogengasfluß jeweils in den Bereichen von 2,8-4,5 kW/mm², 30-50 A/mm² bzw. 16-30 kW/m³/h liegen.

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33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Streichwirkung des Plasmastrahls erreichte Fläche des Werkstücks durch die Einengung dieses Plasma Strahls derart vergrößert wird, daß sie auf irgendeine Weise die Projektion der Düse enthält.

34. Verfahren nach den Ansprüchen 32 und 33, dadurch gekennzeichnet, daß als Bogengas Argon oder dessen Gemisch mit Stickstoff oder Wasserstoff, vorzugsweise ein Argon-Stickstoff gemisch, verwendet wird.

35« Verfahren nach den Ansprüchen 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Bog eng a sg em i sch 5-75% Stickstoff und 9 5-25% Argon enthält, wobei eine Zusammensetzung im eingeschränkten Bereich von 20-50% Stickstoff und 80-50% Argon bevorzugt wird.

36. Verfahren nach den Ansprüchen 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß eisenhaltige und nichteisenhaltige metallische Stoffe (wie Stahl, rostfreier Stahl, Aluminium, Kupfer usw.) in Metall- oder Legierungsform geschnitten werden.

37. Plasmastrahlgenerator mit erweiterter und verbesserter Betriebselastizität und diesbezügliche Anwendungsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberzugsmaterial in Pulverform mit einer Korngröße verwendet wird, die insgesamt zwischen -120 und +600 Mesh liegt.

3 8. Generator und dessen Anwendungsverfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Ober zugsmaterial in den meisten Fällen vorzugsweise in Form eines Pulvers verwendet wird, dessen Korngröße im engeren Bereich von -200 bis +32 5 Mesh liegt.

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