DE1764116C - Arc plasma jet generator - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogen- erlaubt, ein oxydierendes Gas wie Luft als Arbeitsgas Plasmastrahlgenerator mit einer aus Wolfram oder benutzen zu können. · The invention relates to an arc that allows an oxidizing gas such as air to be used as a working gas or plasma jet generator with one made of tungsten. ·
siner Wolframlegierung bestehenden Kathode, einem Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch go. Kathoclenhnlter, einer die Kathode und ihren Halter löst, daß die Kathode mit einer Wolframsilizidkonzentrisch umgebenden und eine IDUsenöffnung 5 schicht überzogen ist. _ .,.·,..,Its tungsten alloy existing cathode, a This object is achieved according to the invention thereby go. Kathoclenhnlter, one the cathode and its holder dissolves that the cathode concentrically with a tungsten silicide surrounding and an IDUsenöffung 5 layer is coated. _.,. ·, ..,
vor der Elektrode bildenden Düse, einer Einrichtung Die gemäß der Erfindung mit Wolframsilizid über-in front of the electrode forming nozzle, a device that according to the invention with tungsten silicide over-
zur Einführung von Arbeitsgas in die DUsonöffnung . 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 laßt und so Düse, eine Wolframsilizidschicht auf der Kathodenober-for introducing working gas into the DUson opening. drawn cathode is z. B. produced in that and a device for inducing a gaseous silicon compound with an in Arc discharge between the cathode and the final shaped tungsten cathode Let the nozzle or another electrode of the io material react at high temperature and so on Nozzle, a tungsten silicide layer on the top of the cathode
Es sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung fläche erzeugt. Auch ein anderes Verfahren, bei dem einer Plasmallamme bekannt. Darunter ist ein Ver- eine Wolframsilizidschicht durch Plasmallammcnfahren zum Auslösen einer Bogen- oder Glimment- aufsprühen aufgebracht wird, führt zu diesem ladung und zum Einführen von Arbeitsgas während 15 Ziel. , .There are various methods of generating surface. Also another method where known from a plasma flame. Underneath is an association of a tungsten silicide layer by plasma lambing is applied to trigger an arc or glow spray, leads to this charge and to introduce working gas during 15 target. ,.
der Entladung zur Erzeugung einer besonders hoch- Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnungthe discharge to generate a particularly high- The invention is illustrated in the drawing
energetischen Plasmaflamme geeignet. Die in dieser veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher er-Weise gewonnene Plasmaflamme hat einen weiten läutert. Es zeigtenergetic plasma flame. The in this illustrated exemplary embodiments in more detail obtained plasma flame has a wide refined. It shows
Anwendungsbereich bei der Bearbeitung verschie- Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eineArea of application in the processing of various Fig. 1 schematically shows a longitudinal section through a
dener Materialien (Schweißen, Spritzen, Schneiden ao Kathode und eine Düse eines Lichtbogen-Plasma usw.) und als vielseitige Heizquelle. Strahlgenerators mit übertragenem Lichtbogen gemalldener materials (welding, spraying, cutting ao cathode and a nozzle of an arc plasma etc.) and as a versatile heating source. Beam generator with transmitted arc gemall
Zur Erzeugung einer Plasmaflamme unter Aus- einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
nutzung einer Bogenentladung wird eine Brenner- F i g. 2 schematisch einen Längsschnitt durch eineTo generate a plasma flame from an embodiment of the invention,
Using an arc discharge, a burner F i g. 2 schematically shows a longitudinal section through a
entladungseinrichtung verwendet, die aus einer Kathode und eine Düse eines Lichtbogen-Plasma-Kathude, einer die Kathode umgebenden Düse zur as Strahlgenerators mit nicht übertragenem Lichtbogen Abgabe eines Arbeitsgases und einer Energiequelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erzürn Auslösen einer Entladung zwischen der Kathode findung,Discharge device used, which consists of a cathode and a nozzle of an arc plasma cathude, a nozzle surrounding the cathode to the jet generator with a non-transmitted arc Delivery of a working gas and an energy source according to another embodiment of the ore Triggering a discharge between the cathode finding,
und der Düse oder den anderen Teilen besteht. Ein F i g. 3 schematisch einen Längsschnitt durch einenand the nozzle or other parts. A f i g. 3 schematically shows a longitudinal section through a
Verfahren /ur Erzeugung einer Plasmaflamme durch Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator gemäß einem wei-Auslösen
einer Bogenentladung zwischen der Ka- 30 tsren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
thode und der Düse und Zuführen eines Arbeitsgases F i g. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Be-Method / ur generation of a plasma flame by means of an arc plasma jet generator according to a white triggering of an arc discharge between the catheters, exemplary embodiment of the invention,
method and the nozzle and supplying a working gas F i g. 4 a diagram to show the loading
zur Entladungsstelle nennt man ein NichtÜbergangs- ziehung zwischen der Dicke einer Wolframsilizidtypverfahren,
während ein Verfahren zur Erzeugung schicht und der Oxydationsgeschwindigkeit,
einer Plasmallamme durch Auslösen einer Entladung In einem Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator nachto the discharge point is called a non-transition between the thickness of a tungsten silicide type process, while a process for generating layer and the rate of oxidation,
a plasma flame by triggering a discharge in an arc plasma jet generator
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 gumitcri, um eine Entladung zwischen einembetween the cathode and a 35 Fig. 1 to be processed, the inner walls of a nozzle 2 Part and supply of the working gas to the discharge at a lower temperature than that of an electrical point a transition type method is called. trode 1 gumitcri to get a discharge between one
Solche Verfahren zur Erzeugung einer Plasma- Werkstück 6 und der Elektrode 1 auszulösea und flamme, welche eine Bogen- oder Gln*imeniiaila.jg v.-. "' \smuflamme3 zu erzeug mi, :;«dem Entladungs-1"MiUtZtMi. haben den Vorteil, α.;'.'. .':·. > ■■■ ::hr 40 gas von einer Kntladungsga"ruf'!;>i!eitjnp ?um Entiii.wh-....e,-U..-..-.'Ό· ■-.· ·■'·.· ..;„ .sieht erzielbar ist. ladunpsteü eingespeist wird. Durch Umlauten ein.-.r Indessen steigt die Temperatur der Kathode und der geeigneten Menge von Kühlwasser durch eine Ku';!- Düse ziemlich hoch, und es sind Elektrodenmate- wasserleitung4 kann die Oxydation der inneren Wanrialien 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 1 421 353; IEEE- der Kathode vorgesehen ist.Such a method for generating a plasma workpiece 6 and the electrode 1 to initiate and flame, which an arc or Gln * imeniiaila.jg v.-. "'\ smuflamme3 to generate mi, : ;« the discharge 1 "MiUtZtMi. have the advantage of α .; '.'. . ': ·. > ■■■ :: hr 40 gas from a discharge gas "ruf '! ; > I! Eitjnp? Um Entiii.wh -.... e , -U ..-..-.' Ό · ■ -. · · ■ ' If the electrode material is water conduit4, the oxidation of the inner Wanrialien with a high electroemissivity, a fertilization of the nozzle 2, good thermal conductivity and a high melting point can be avoided transferred arc an oxidizing-called arc plasma jet generator previously used the working gas if concentrically tungsten or thoriated tungsten has been used at the discharge point, a tungsten silicide coating 7 is provided (French patent 1 421 353; IEEE- the cathode is provided.
Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-Il, 1964, 50 In einem Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator nach Nr. 1, S. 109 bis 111). Als Arbeitsgas muß dabei Fig. 2 findet die Entladung 8 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. ausTransactions on Nuclear Science, Vol. NS-II, 1964, 50 In an arc plasma jet generator according to No. 1, pp. 109 to 111). The discharge 8 between the cathode 1 must be found in FIG. 2 as the working gas a non-oxidizing gas such as argon, hydrogen and the nozzle 2 instead. Therefore one preferably sees or nitrogen can be used. an oxidation-resistant coating 9, e.g. B. off
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 Entladung zwischen diesen ausgelöst wäre es vorzuziehen, wenn man Luft als Arbeitsgas 60 werden.However, such a gas is relatively expensive, zirconium or aluminum oxide on the inner wall and the processes mentioned are from the manuring of the nozzle 2 before. In the two above borrowed point of view quite unfavorable, if described types of plasma torches can through a large amount of working gas is needed, what the use z. B. the nozzle 2 or the workpiece 6 The case is when a material with such a plasma as a cathode and the cathode 1 as an anode in the same flame is to be processed. Accordingly, a discharge is triggered between them it would be preferable to have air as the working gas 60.
verwenden könnte. Doch kennt man bis jetzt keine Ein bevorzugtes Beispie! eines solchen Plasma-could use. But up to now none is known. A preferred example! of such a plasma
Elektrode, die solche oxydationsbeständigen Eigen- Strahlgenerators wird im folgenden beschrieben. Eine schäften aufweist, die beim Einsatz eines hochoxydie- Kathode wird durch Gestaltung eines Endes eines renden Gases ausreichen. Wolframstabes mit 2°/o Thallium zu einer Geschoß-Electrode, such an oxidation-resistant self-jet generator is described below. One has shafts, which when using a hochoxydie- cathode is made by shaping one end of a generating gas are sufficient. Tungsten rod with 2% thallium to form a projectile
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, 65 form und Gestaltung des anderen Endes als ebene 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 Größenoftrinnen Oxvdationsgeschwindigkeit aufweist, daß sie Ordnung von 15 mm Länge, 6 mm Durchmesser,The invention is therefore based on the object 65 of the shape and design of the other end than flat produced a plasma jet generator of the area mentioned with a projection in the middle. Kind of creating a cathode with a so The dimensions of the cathode are in the size of the trenches Oxidation rate has an order of 15 mm in length, 6 mm in diameter,
3mm Kurvenradius am vorderen Ende und 3 mm Durchmesser sowie 4 mm Höhe des Vorsprungs,3mm curve radius at the front end and 3 mm diameter and 4 mm height of the projection,
Die so gestaltete Kathode wird im WasserstoiTgas· •trom von etwa 0,5 1/mki erhitzt. Dann lüßt man Wasserstoff durch flüssiges Siliziumtetrachlorid, welches auf etwa 20° C gehalten wird, mit der Ge- »chwindigkeit von etwa. 0,2 l/inin durchperlen und zur erhitzten Kathode strömen. Wenn Siliziumtetrachioriddampt mit der erhitzten Kathpde zur Reaktion gebracht wird, bildet sich auf der Kathode in etwa 30 Minuten eine Woiframsilizidschicht von etwa 0,3 mm Dicke. The cathode designed in this way is heated in a hydrogen gas flow of approx. 0.5 1 / mki. Hydrogen is then passed through liquid silicon tetrachloride, which is kept at about 20 ° C., at a rate of about. Bubble through 0.2 l / inin and flow to the heated cathode. When silicon tetrachloride vapor is reacted with the heated cathode, a layer of woifram silicide about 0.3 mm thick forms on the cathode in about 30 minutes.
Ein Beispiel eines Plasmastrahlgenerators, bei dem eine solche Kathode verwendet wird, ist in F i 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 ζ·τ Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Stroml hAn example of a plasma jet generator using such a cathode is shown in FIG. 3 to recognize. As can be seen, the cathode 1 is on the end of a centrally arranged cathode holder 17, which is made of a material such as copper, and the anode 2, which also functions as a nozzle, is mounted coaxially to the cathode 1 on a cylindrical anode holder 18, which is also made of a material like copper. An annular electrical insulator 19 is concentric within the Anode holder 18 attached in such a way that it surrounds the cathode 1 and to the inner end of the Nozzle 2 connects. A cavity 4 is formed between the nozzle 2 and its holder 18, through which Cooling water circulates. A device for supplying cooling water into the cavity 4 and a Devices for discharging the cooling water therefrom are not shown. Another ring-shaped Insulator 20 is between cathode holder 17 and holder 18 on the lower part of the cathode holder 17 arranged. Arc gas is introduced into the torch through an inlet port 5. The anode holder 18 is connected to a positive current connection 22 ζ · τ with a (not shown) Stroml H
Bei einem tatsächlichen Vergleichsversrch wurde ein Brenner unter Verwendung der beschriebenen Wolframsilizidelektrode 7 zur Erreugung einer f'lasmastrahlflamme unter den Arbeitsbedingungen e'ip-i-. 5t"*ms von 300 Ampere, einer Spanivm'j von I;')0 VcI-. "i«.! eines Lichtbogengases a<-- a. . '■■']■ schung von Argon mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 l/min und Luft mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 l/min und eines Blcktrodunabstnndes von 7 mm benutzt. Die Oxydationsgeschwindigkeit wai bei diesem Beispiel 0,15 mm/min. Andererseits ergab sich, als eine Plasmallammo In an actual comparison test, a burner using the tungsten silicide electrode 7 described was used to excite a plasma jet flame under the working conditions e'ip-i-. 5t "* ms of 300 amperes, a Spanivm'j of I ; ') 0 VcI-." I «.! an arc gas a <- a. . '■■'] ■ use of argon with a flow rate of 30 l / min and air with a flow rate of 20 l / min and a bar spacing of 7 mm. The rate of oxidation in this example was 0.15 mm / min. On the other hand, it turned out to be a plasma lambo
unter den gleichen Bedingungen bei Verwendung einer keine Woiframsilizidschicht aufweisenden Kathode
erzeugt wurde, eine Oxydationsgeschwindigkeit von 3,0 mm/min.
Fig, 4 ist ein Diagramm, welches die Beziehungwas generated under the same conditions using a cathode not having a Woifram silicide layer, an oxidation rate of 3.0 mm / min.
Fig. 4 is a diagram showing the relationship
ίο zwischen der Dicke einer Woiframsilizidschicht und der Oxydationsgeschwindigkeit zeigt. In dieser Figur erkennt man klar, daß die Oxydationsgeschwindigkeit fast konstant wird, wenn die Dicke der Woiframsilizidschicht 0,1 mm übersteigt.ίο between the thickness of a woifram silicide layer and shows the rate of oxidation. In this figure it can be clearly seen that the rate of oxidation becomes almost constant when the thickness of the woifram silicide layer exceeds 0.1 mm.
Mit dem Plasmastrahlgenerator gemäß der Erfindung kann die direkte Berührung zwischen dem oxydierenden Bestandteil im Arbeitsgas' und Wolfram oder einer Wolframlegierung, woraus «ine Kathode besteht, dank einer Woiframsilizidschicht verhindertWith the plasma jet generator according to the invention, the direct contact between the oxidizing Part of the working gas and tungsten or a tungsten alloy, from which a cathode is prevented thanks to a woifram silicide layer
ao werden, welche auf den Oberflächen der Elektrode angebracht ist, und die oxydationsbestilndige Qualität der Elektrode läßt sich so steigern.ao, which is attached to the surfaces of the electrode, and the oxidation-resistant quality the electrode can be increased in this way.
Claims (1)
spruch ι, dadrs·· t· fccVenav'-ich.iet, da£ uie?. I ichibogen-Hastnas.tr.ihigeiieiator ti at ti
saying ι, dadrs ·· t · fccVenav'-ich.iet, da £ uie
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