DE1764116B1

DE1764116B1 - Lichtbogen plasmastrahlgenerator

Info

Publication number: DE1764116B1
Application number: DE19681764116
Authority: DE
Inventors: Tetuo Gejo; Yasuzi Hamura; Tosikatu Manabe; Kotaro Uchimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1967-04-07
Filing date: 1968-04-03
Publication date: 1971-03-04
Also published as: US3515839A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogen- erlaubt, ein oxydierendes Gas wie Luft als Arbeitsgas Plasmastrahlgenerator mit einer aus Wolfram oder benutzen zu können. '. .

einer Wolframlegierung bestehenden Kathode, einem Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

Kathodenhalter, einer die Kathode und ihren Halter löst, daß die Kathode mit einer Wolframsilizidkonzentrisch umgebenden und eine Düsenöffnung 5 schicht überzogen ist.

vor der Elektrode bildenden Düse, einer Einrichtung Die gemäß der Erfindung mit Wolframsilizid über-

zur Einführung von Arbeitsgas in die Düsenöffnung zogene Kathode wird z.B. dadurch hergestellt, daß und einer Einrichtung zum Herbeiführen einer man gasförmige Siliziumverbindungen mit einem in Lichtbogen-Entladung zwischen der Kathode und die endgültige Form gebrachten Wolfram-Kathodender Düse oder einer anderen Elektrode von der io material bei hoher Temperatur reagieren läßt und so Düse. eine Wolframsilizidschicht auf der Kathodenober-

Es sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung fläche erzeugt. Auch .ein anderes Verfahren, b£i dem einer Plasmaflamme bekannt. Darunter ist ein Ver- eine Wolframsilizidschicht durch Plasmaflammenfahren zum Auslösen einer Bogen-oder Glimment- aufsprühen aufgebracht wird, führt zu 'diesem ladung und zum Einführen von Arbeitsgas während 15 Ziel.

der Entladung zur Erzeugung einer besonders hoch- Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung

energetischen Plasmaflamme geeignet. Die in dieser veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher er-Weise gewonnene Plasmaflamme hat einen weiten läutert. Es zeigt

Anwendungsbereich bei der Bearbeitung verschie- F i g. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine

dener Materialien (Schweißen, Spritzen, Schneiden 20 Kathode und eine Düse eines Lichtbogen-Plasmausw.) und als vielseitige Heizquelle. . Strahlgenerators mit übertragenem Lichtbogen gemäß

Zur Erzeugung einer Plasmaflamme unter Aus- einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, A

nutzung einer Bogenentladung wird eine Brenner- Fig. 2schemätisch·einen Längsschnitt durch eine ™

entladungseinrichtung verwendet, die aus einer Kathode und eine Düse eines Lichtbogen-Plasma-Kathode, einer die Kathode umgebenden Düse zur 25 Strahlgenerators mit nicht übertragenem Lichtbogen Abgabe eines Arbeitsgases und einer Energiequelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erzürn Auslösen einer Entladung zwischen der Kathode findung,

und der Düse oder den anderen Teilen besteht. Ein. c'/T ' Fig. 3 schematisch einen Längsschnitt durch einen Verfahren zur Erzeugung einer Plasmaflamme durch Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator gemäß eine,m wei-Auslösen einer Bogenentladung zwischen der Ka- 30 teren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
thode und der Düse und Zuführen eines Arbeitsgases Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Be-

zur Entladungsstelle -nennt man ein NichtÜbergangs- ziehung zwischen der- Dicke einer Wolframsilizidtypverfahren, während ein Verfahren zur Erzeugung schicht und der Oxydatipnsgeschwindigkeit.
einer Plasmaflamme durch Auslösen einer Entladung · '" In einem Lichtbogen-Pläsmastrahlgenerator nach zwischen der Kathode und einem zu bearbeitenden 35 Fig. 1 werden die inneren Wandungen einer Düse 2 Teil und Zuführen des Arbeitsgases zur Entladungs- auf einer niedrigeren Temperatur als der einer Elekstelle ein Übergangstypverfahren heißt. trode 1 gehalten, um eine Entladung zwischen einem

Solche Verfahren zur Erzeugung einer Plasma- Werkstück 6 und der Elektrode 1 auszulösen- und flamme, welche eine Bogen- oder Glimmentladung eine Plasmaflamme 3 zu erzeugen, indem Entladungsausnutzen, haben den Vorteil, daß damit eine sehr 40 gas von" einer ErWädüngsgaszuführleitdng zum Enthochenergetische Plasmaflamme leicht erzielbar ist. ladungsteil eingespeist wird. Durch Umlaufen einer Indessen steigt die Temperatur der Kathode und der '.'geeigneten Menge von Kühlwasser durch εϊηέ Kühl-Düse ziemlich hoch, und es sind Elektrodenmate- wasserleitung 4 kann die Oxydation der inneren Wan- -

rialien mit einer hohen Elektroemissivität, einer düngen der Düse 2 fast völlig hintangehalten werden. % guten Wärmeleitfähigkeit und einem hohen Schmelz- 45, Dementsprechend kann in. vielen Fällen bei Verwenpunkt erforderlich, weshalb bei dem eingangs ge- · dung eines übertragenen Lichtbogens ein oxydierennannten Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator bisher des Arbeitsgas verwendet werden, wenn konzentrisch Wolfram oder thoriertes Wolfram verwendet worden am Entladungspunkt ein Wolframsilizidüberzug 7 auf ist (französische Patentschrift 1421353; IEEE- der Kathode vorgesehenist

Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-Il, 1964, 5.0 In einem Lichtbög'en-Plasmastfahlgenerator nach Nr. 1, S. 109 bis 111). Als Arbeitsgas muß dabei ^! Fig. 2 findet die Entladung8 zwischen der Kathode 1 ein nichtoxydierendes Gas wie Argon, Wasserstoff und der Düse 2 statt. Daher sieht man vorzugsweise oder Stickstoff verwendet werden. einen oxydationsbeständigen Überzug 9, z. B. aus

Ein solches Gas ist jedoch verhältnismäßig teuer, Zirkon- oder Aluminiumoxyd auf den inneren Wan- und die genannten Verfahren sind vom wirtschaft- 55 düngen der Düse 2 vor. In den beiden vorstehend liehen Gesichtspunkt ziemlich unvorteilhaft, wenn beschriebenen Arten; von Plasmabrennern kann durch eine große Arbeitsgasmenge gebraucht wird, was der .. Verwendung z. B. der Düse 2 oder des Werkstücks 6 Fall ist, wenn ein Material mit einer solchen Plasma- . als Kathode und der,Kathode 1 als Anode in gleicher flamme bearbeitet werden soll. Dementsprechend ^: Weise eine Entladung⁵ zwischen diesen ausgelöst wäre es vorzuziehen, wenn man Luft als Arbeitsgas 60 werden.

verwenden könnte. Doch kennt man bis jetzt keine Ein bevorzugtes Beispiel eines solchen Plasma- ■'"./

Elektrode, die solche oxydationsbeständigen Eigen- Strahlgenerators wird im folgenden beschrieben. Eine l .· schäften aufweist, die beim Einsatz eines hochoxydie- Kathode wird durch Gestaltung eines Endes eines ^[ ■ renden Gases ausreichen. Wolframstabes mit 2% Thallium zu einer Geschoß- ^f>·

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, 65 form und Gestaltung des anderen Endes als ebene '">^J einen Plasmastrahlgenerator der eingangs genannten Fläche mit einem Vorsprung in der Mitte hergestellt. ^ Art zu schaffen, der eine Kathode mit einer so Die Abmessungen der Kathode liegen in der Größen- ^{! ;} geringen Oxydationsgeschwindigkeit aufweist, daß sie Ordnung von 15 mm Länge, 6 mm Durchmesser, · ν

ORiGlNALiWSPECTED

3 mm Kurvenradius am vorderen Ende und 3 mm Durchmesser sowie 4 mm Höhe des Vorsprungs.

Die so gestaltete Kathode wird im Wasserstoffgasstrom von etwa 0,5 l/min erhitzt. Dann läßt man Wasserstoff durch flüssiges Siliziumtetrachlorid, welches auf etwa 20° C gehalten wird, mit der Geschwindigkeit von etwa 0,2 l/min durchperlen und zur erhitzten Kathode strömen. Wenn Siliziumtetrachloriddampf mit der erhitzten Kathode zur Reaktion gebracht wird, bildet sich auf der Kathode in etwa 30 Minuten eine Wolframsilizidschicht von etwa 0,3 mm Dicke.

Ein Beispiel eines Plasmastrahlgenerators, bei dem eine solche Kathode verwendet wird, ist in Fi g. 3 zu erkennen. Wie man sieht, ist die Kathode 1 auf dem Ende eines zentrisch angeordneten Kathodenhalters 17 montiert, der aus einem Material wie Kupfer besteht, und die Anode 2, die zusätzlich als Düse funktioniert, ist koaxial zur Kathode 1 auf einem zylindrischen Anodenhalter 18 befestigt, der ebenfalls aus einem Material wie Kupfer besteht. Ein ringförmiger elektrischer Isolator 19 ist konzentrisch innerhalb des Anodenhalters 18 in der Weise angebracht, daß er die Kathode 1 umgibt und an das innere Ende der Düse 2 anschließt. Zwischen der Düse 2 und ihrem Halter 18 ist ein Hohlraum 4 gebildet, durch welchen Kühlwasser zirkuliert. Eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlwasser in den Hohlraum 4 und eine Einrichtung zur Abführung des Kühlwassers daraus sind nicht dargestellt. Ein weiterer ringförmiger Isolator 20 ist zwischen dem Kathodenhalter 17 und dem Halter 18 am unteren Teil des Kathodenhalters 17 angeordnet. Lichtbogengas wird durch eine Einlaßöffnung 5 in den Brenner eingeführt. Der Anodenhalter 18 ist mit einem positiven Stromanschluß 22 zur Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Stromquelle versehen.

Bei einem tatsächlichen Vergleichsversuch wurde ein Brenner unter Verwendung der beschriebenen Wolframsilizidelektrode 7 zur Erzeugung einer Plasmastrahlflamme unter den Arbeitsbedingungen eines Stroms von 300 Ampere, einer Spannung von 500 Volt und eines Lichtbogengases aus einer Mischung von Argon mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 I/min und Luft mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 l/min und eines Elektrodenabstandes von 7 mm benutzt. Die Oxydationsgeschwindigkeit war bei diesem Beispiel 0,15 mm/min.

Andererseits ergab sich, als eine Plasmaflamme unter den gleichen Bedingungen bei Verwendung einer keine Wolframsilizidschicht aufweisenden Kathode erzeugt wurde, eine Oxydationsgeschwindigkeit von 3,0 mm/min.

F i g. 4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Dicke einer Wolframsilizidschicht und der Oxydationsgeschwindigkeit zeigt. In dieser Figur erkennt man klar, daß die Oxydationsgeschwindigkeit fast konstant wird, wenn die Dicke der Wolframsilizidschicht 0,1 mm übersteigt.

Mit dem Plasmastrahlgenerator gemäß der Erfindung kann die direkte Berührung zwischen dem oxydierenden Bestandteil im Arbeitsgas und Wolfram oder einer Wolframlegierung, woraus eine Kathode besteht, dank einer Wolframsilizidschicht verhindert werden, welche auf den Oberflächen der Elektrode angebracht ist, und die oxydationsbeständige Qualität der Elektrode läßt sich so steigern.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator mit einer aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehenden Kathode, einem Kathodenhalter, einer die Kathode und ihren Halter konzentrisch umgebenden und eine Düsenöffnung vor der Elektrode bildenden Düse, einer Einrichtung zur Einführung von Arbeitsgas in die Düsenöffnung und einer Einrichtung zum Herbeiführen einer Lichtbogen-Entladung zwischen der Kathode und der Düse oder einer anderen Elektrode vor der Düse, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) mit einer Wolframsilizidschicht (7) überzogen ist.

2. Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Plasma in Kontakt kommenden Wandungen der Düse (2) mit einem Überzug (9) aus einem oxydationsbeständigen Material bedeckt sind.

3. Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (9) aus Zirkon- oder Aluminiumoxyd besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPY