DE1802414A1 - Plasmaduese - Google Patents

Description

• Plasmadüse Die Erfindung betrifft Plasmadüsen und insbesondere derartige Düsen einer Bauart, bei welcher ein sekundärer Schutzgasstrom zur Abschirmung sowohl des Plasmastrahles als auch der Stelle, an welcher der Plasmastrahl auf das Werkstük auftrift, auftrift, gegenüber der Atmosphäre dient.
• Eine weitere Aufgabe des sekundären Schutzgasstromes bostekt; darin, den Plasiaastrahl einzuschnüren.
• Bei bekannten Plasmadüsen wird ein Lichtbogen, welcher als Zündelichtbogen bezeichnet werden kann, zwischen einer zentrischen Elektrode und einer äußeren, ringförmigen Elektrode gezogen. Die Polarität der zugehörigen Gleichstromquelle wird so gewälilt, daß die zentrische Elektrode die Kathode bildet, während die äußere Elektrode die Anode ist. Gleichzeitig mit der Zündung des Zündlichtbogens wird ein Strom eines sog. Plasmagases in die Düse eingeführt und aus dieser durch einen verengten Kanal der Anode ausgeblasen. Das Gas wird von dem Lichtbogen auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher eine teilweise Ionisation eintritt, wonach das das Gas aus dem verengten Kanal als sog. Plasmastrahl austritt und einen elektrisch leitenden Weg für den nun auftretenden Schweißlichtbogen bildet, der zwischen der Kathode und dem Werkstück gezogen wird und als übertragener Lichtbogen bezeichnet wird.
• Beim allgemein bekannten Schweißen mit einer Dauerkathode bzw. mit einer Wolframkathode wird der Lichtbogen fortschreitend unstabiler und schwieriger zu steuern, wenn der Strom unter 15 A erniedrig-t wird. Beim Plasmaschweißen wird der Plasmastrahl unabhängig vom Schweißlichtbogen gebildet, welcher daher selbst bei Strömen bis herunter zu 0,1 A stabil bleibt. Zur Ausnützung dieser theoretisch gegebenen Möglichkeit müssen jedoch besondere Maßnahmen ergriffen werden.
• Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei Plasmadüsen ein Stabilbleiben des Schweißlichtbogens in dem oben erwähnter übertragenen Betriebszustand auch bei sehr niedrigen Strömen sicherzustellen.
• Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Verhältnis der Länge zum Durclmesser des in der ringförmigen Elektrode vorgesehenen, vom Plasmastrahl durchsetzten Kanales zwischen etwa 2 : 1 bis 3 : 1 liegt.
• Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, in welcher Fig. 1 einen Axialschnitt durch den Kopf einer Plasmadüse nach der Erfindung und Fig. 2 eine schematische Ansicht der Elektrodenspitze der Düse nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab darstellen.
• jjie Düse weist ein wassergekühltes Gehäuse 1 auf, in welches eine ringförmige Elel.-urode 2 eingeschraubt ist, in der ein zu einer Wolframkathode 3 koaxialer Kanal 12 vorgesehen ist. Die Elektrode 3 hat die Form eines hetallstabes, der an einem aus Metall gefertigten Halter 28 befestigt ist, welcher seinerseits in Längsrichtung entlang der Düsenachse bewegbar ist. Das untere Ende des Halters 28 ist in einer Hülse 26 geführt, während das obere Ende des Halters eine Führung durch einen Flansch 32 erhält, der in einer Bohrung 31 einer Kappe 23 verschiebbar ist.
• Gegen den Flansch 32 stützt sich ein Ende einer Schraubendruckfeder 22 ab, deren anderes Ende sich gegen eine Schraubhülse 30 abstützt, so daß der Halter 28- von der feststehenden, ringförmigen Elektrode 2 weggedrängt wird.
• In der in der Zeichnung wiedergegebenen Grenzstellung liegt das äußere Ende des Halters 28 an der inneren Stirnfläche eines Bedienungsknopfes 25 an, der aus Isolierwerkstoff gefertigt und ebenfalls längs der Düsenachse bewegbar gefühlt ist. Die äußere Fläche des Bedienungsknopfes 25 ist derart abgesetzt, daß ein mit einem inneren Absatz 34 der Rappe 23 zusammenwirkender QLschlag entsteht.
• Die äußere zylindrische Fläche des 37edienungsknopfes 25 ist mit einer Ringnut versehen, in der ein Dichtullgsring O untergebracht ist, so daß eine gasdichte Durchführung entsteht. Auch die Kappe 23 weist eine Nut und einen darin untergebrachten Dichtungsring 21 auf, so daß eine gasdichte Abdichtung gegenüber dem Gehäuse 19 erzielt ist.
• Das äußere Ende der Kappe 23 ist von einem aus Isolierstoff bestehenden Teil 4 umgeben und dieses Teil ist mit einer Rändelung oder einer anderen Profilierung versehen, so daß es leicht von Hand verdreht werden kann. Durch ein solches Verdrehen wird die Kappe in axialer Richtung bewegt bzw. verschraubt und zusammen mit der Kappe bewegen sich auch der Halter 28 und die Elektrode 3 in axialer Richtung, so daß der axiale Abstand zwischen dem äußeren Ende der Elektrode 3 und dem benachbarten Ende des Kanales 12 der feststehenden Elektrode 2 eingestellt werden kann.
• Mit den Inneren eines Haltekörpers 18 steht eine aus leitendem Material gefertigte Rohrleitung 7 in Verbindung.
• Während des Betriebes wird zur Bildung des Plasmastrahles verwondetes Gas durch die Leitung 7 in eine innerhalb des Maltekörpers 18 gebildete Kammer 8 gefördert und gelangt iihier hier aus über axial bzw. schraubenförmig verlaufende Naben 9 des halters 28 in eine Ringkammer 10, die auf der Nach einwärts gerich-te-ten Seite der feststehenden Elektrode 2 liegt. Der lialtekörper 18 und auch die anderen elektrisch leitenden Teile der Düse sind derart in einen isolierenden Träger eingebettet, daß zwischen den mit den beiden Elektroden in Verbindung stehenden Teilen eine elektrische Isolation geschaffen wird.
• Von der Kammer 10 aus strömt das Plasmagas durch den Ringraum 11 zwischen den Elektroden 2 und 3, bevor es in den Kanal 12 eintritt.
• Ein in der Zeichnung nicht dargestellter, isolierter Leiter is-t an das abgelegene Ende der Rohrleitung 7 angeschlossen, so daß der elektrische Strom längs der Rohrleitung zu dem Halteteil 18 fließt, wobei die Eontaktflächen zwischen der Hülse 26 und dem lialter 28 so groß gewählt sind, daß nur ein vernachlässigbar kleine Widerstand hinsichtlich des zu der Elektrode 3 fließenden Stromes wirksam ist.
• Eine in dem Gehäuse 1 vorgesehene Kammer 24 steht mit dem Inneren einer Rohrleitung 6 in VerbinduilS tuid außerdem ist noch eine weitere Leitung vorgresehen, so daß Kühlwasser über die eine Rohrleitung eintreten und über die andere Rohrleitung abströmen lEann. Die Kammer 24 ist so gestaltet, daß sich ein im wesen-tlichen gleichförmiger Eühlwasserumlauf ergibt und sog. heiße Stellen vermieden werden.
• Die Leitung 13 dient genauso wie die Leitung 7 als elektrische Verbindung, die ihrerseits an ihrem inneren Ende elektrisch an das Gehäuse 1 angeschlossen ist, so daß sich eine elektrische Zuleitung zu der Elektrode 2 ergibt.
• Die Gestalt des Gehäuses 1 ist so gewählt, daß es einen ringförmigen Raum 14 umschließt, der mit der Leitung 13, über welche der Schutzgasstrom eingeführt wird, in Verbindung steht. An dem körper 1 ist eine Anzahl ringförmiger Siebteile 15 gehaltert. Diese bestehen aus feinem Drahtgitter oder aus porösem Material, so daß j ede Turbulenz in dem in die Kammer 14 eintretenden Gasstrom vermieden wird, bevor das Gas den zwischen der Elektrode 2 und einem äußeren, aus keramischem Isolier-Werkstoff bestehenden Ansatzstück 17 gebildeten ringförmigen Auslaß 16 erreicht.
• Die Siebteil 15 sind also als Gaskollimator wirksam, wodurch ereicht wird, daß das vol: dem Auslaß 1G austretende Ga r-ls glatter, zusammenhängender Gasstrom abströmt, welcher den aus dem Kanal 12 austretenden Plasmastrahl umgibt.
• Die Leitungen 6, 7 und 13 sind sämtlich von demselben solierwerkstoff umgeben, aus welcnem auch der Düsenträger geferutist ist uiid welcher einen handgriff für die Düse bildet.
• Beim Gebrauch der Düse werden die folgenden Handgriffe der Reihe nach ausgeführt. Zunächst wird Kühlwasser durch die Kammer 24 geleitet. Dann läßt man ein plasmabildendes Gas in die Leistung 7 strömen und führt Schutzgas durch die Leistung 13 ein. Durch geeignete Beaufschlagung der jeweils zugehörigen elektrischen Leiter wird zwischen den Elektroden 2 und 3 ein elektrisches Potential erzeugt.
• Der Lichtbogen wird dadurch gezündet, daß der Betätigungsknopf 25 genügend weit niedergedrückt wird, um die Elektrode 3 zur Bildung eines Kurzschlusses mit der Elektrode 2 in Berührung zu bringen. Läßt man dann durch Loslassen des Bedienungsknopfes 25 die Elektroden sich voneinander entfernen, so wird der Zündbogen zwischen den Elektroden gezogen.
• Hierdurch wird ein Plasmastrahl erzeugt, der als kleine Flamme aus dem Kanal 12 austritt. Die Stärke des Zündlichtbogenstromes liegt im Bereich zwischen 2,0 A bis 2,5 A.
• Soll die erfindungsgemäße Düse als Anwcirmgerät verwendet werden, so muß sie in der Weise betrieben werden, daß der Lichtbogen nicht übertragen ist. Um dies zu erreichen, wird das Potential zwischen den Elektroden so weit erhöht, bis ein gewünschter Plasmastrom erreicht wird und auch die Plasmagasströmung wird so weit verstärkt, bis sich ein Plasmastrahl gewünschter Länge ergibt. In den meisten Anwendungsfällen findet ein Schutzgas Verwendung, das eine neutrale oder leicht reduzierende Atmosphäre um den Plasmastrahl herum ergibt.
• Soll demgegenüber die Düse zum SchweiBen verwendet werden, so wird der Lichtbogen sozusagen in seinem übertragenen Zustand betrieben, in welchem ein elektrisches Potential zwischen der Elektrode 3 und einem nicht dargestellten, elektrisch leitenden Werkstück errichtet wird, das geschweißt werden soll. Der einen hohen Ionisationsgrad aufweisende Plasmastrahl dient als Beitungsweg für den Strom des nun übertragenen Llchtbogens, so daß der Lichtbogen nun zwischen der Düse und dem Werkstück brennt und die Temperatur des Werkstückes auf die erforderliche hohe Schweißtemperatur erhöht.
• Der übertragene Lichtbogen verläuft längs des durch den Zündlichtbogen hervorgerufenen Plasmastrahles, sobald die Düse nahe an das Werkstück herangebracht wird. Praktisch tritt eine Zündung dieses Lichtbogens dann auf, wenn das Ende der Anode vom Werkstück äe nach Einstellung des Stromes einen Abstand zwischen etwa 3 mm und 10 mm hat.
• Ist der Lichtbogen einmal gezündet, so kann er auf ein Vielfaches des für die Zündung erforderlichen Abstandes auseinandergezogen werden.
• Zur Erzielung einer zufriedenstellenden Wirkungsweise sind die folgenden Punkte von besonderer Bedeutung: 1. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des in der feststehenden Elektrode vorgesehenen Kanal es muß einen ganz bestimmten Wert haben. Ideale Verhältniswerte liegen im Bereich zwischen 2 : 1 und 3 : 1. Mit anderen Worten kann man also sagen, daß die Länge dieses Kanal es das zweifache bis dreifache seines Durchmessers sein sollte. Ein kleinerer Verhältniswert als der angegebene führt zu einer ungünstigen Gestalt des Plasmastrahles, während bei größeren Verhältniswerten eine doppelte Lichtbogenbildung auftritt, wobei sowohl zwischen den Elektroden als auch zwischen der ringförmigen Elektrode und dem Werkstück ein Lichtbogen brennt, wodurch die ringförmige Elektrode bald zerstört wird.
• 2. Nachdem es möglich ist, den Lichtbogen auf annähernd 18 mm auseinanderzuziehen, wenn der Lichtbogen bereits in der übertragenen Form brennt, ist es von wesentlicher Bedeutung, daß der Schutzgasstrom als zusammenhängende Säule austritt. Dies wird durch den Gaskollimator erreicht, welcher eine gute Schutzgasabschirmung bei allen vorkommenden Nicht bogenlängen sicherstellt.
• Die Einleitung des Lichtbogens durch Startbetätigung des Betätigungsknopfes 25 an der Düse hat den Vorteil, daß ein besonderer Hochfrequenz- oder Funkenstarter, wie er bei einigen bekannten Plasmadüsen verwendet wird, nicht vorgesehen zu sein braucht.
• Wie aus Fig. 2 der Zeichnungen ersichtlich, ist das vordere Ende der zentrischen Elektrode 3 so ausgebildet, daß sich eine konische Spitze 40 ergibt, die von der zylindrischen Nantelfläche 42 des Hauptteiles der Elektrode durch einen kegelstumpfförmigen Zwischenabschnitt 44 getrennt ist. Der Spitzenwinkel beträgt etwa 1000, während der Winkel des kegelstumpfförmigen Zwischenabschnittes etwa 100 beträgt. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, weist der Zwischenabschnitt eine bedeutend größere axiale L ge als die Spitze auf. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß sowohl die absoluten als auch relativen Längenabmesswlgen des Zwischenabschnittes und der Spitze in verhältnismäßig weiten Grenzen verändert werden können.
• Es hat sich gezeigt, daß die Elektrode während des Gebrauches einer Erosion unterliegt. Die Gestalt einer erodierten Elektrodenspitze stimmt aber im wesentlichen mit der Elektrodengestalt iiberein, wie sie in i?ig. 2 dargestellt ist.
• Wählt man daher die Elektrodenform schon von vorne herein in der beschriebenen Weise, so können die Zeitintervalle vergrößert werden, innerhalb welchen die Elektrodenspitze jeweils nachgeschliffen werden muß.
• Nachdem der Halter 28 in der Hülse 26 sehr genau verschieblich geführt ist, wird die Spitze der Elektrode 3 stets konzentrisch zu den benachbarten Flächen der feststehenden Elektrode 2 gehalten.
• Das vorteilhafteste plasmabildemde Gas ist Argon, doch sind in bestimmten Anwendungsfällen Zusätze anderer Gase, beispielsweise Wasserstoff, Helinin oder Stickstoff zweckmäßig.
• Das Schutzgas kann ebenfalls aus Argon oder anderen hierfür geeigneten Gasen bestehen, welche allein oder in mischung mit anderen Gasen, beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Stickstoff zur Anwendung gelangen.
• Durch die Erfindung wird also eine Plasmadüse geringer Abmessungen geschaffen, welche leicht zu handhaben ist, außerordentlich vielseitig verwendet werden kann und einen Schweißlichtbogen erulöglicht, der auch bei ganz geringen Stromwerten stabil ist.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Plasmadüse mit Einrichtungen zur Erzeugung eines den aus einer ringförmigen Elektrode austretenden Plasmastrahl umgebenden Schutzgasstromes, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge zum Durchmesser eines in der ringförmigen Elektrode (2) vorgesehenen, vom Plasmastrahl durchsetzten Kanales (12) im Bereich zwischen etwa 2 : 1 und 3 : 1 liegt.

2. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an oder nahe dem Auslaß eines weiteren, zur Erzeugung des Schutzgasstromes dienenden Kanales (14, 16) ein Gas-Kollimationselement (15) angeordnet ist.

3. Plasmadüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas-Kollimationselement (15) die lorn eines oder mehrerer aus Drahtgitter gefertigter Ringkörper hat.

4. Plasmadüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein, eine mittlere Elektrode (3) zentrisch zu der ringförmigen Elektrode (2) führender Halt er (28) von der ringförmigen Elektrode weg vorgespannt (22) und entgegen dieser Vorspannung in eine Stellung bewegbar ist, in welcher diese mittlere Elektrode mit der ringförmigen Elektrode in Berührung kommt.

5. Plasmadüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (28) mit einem Bedienungsknopf (25) zusammenwirkt, der aus der Düse hervorsteht und jeweils zwecks Bewegung des Halters gegen die ringförmige Elektrode (2) hin niederdrückbar ist.

6. Plasmadüse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (28) in einem Trägerteil (23) geführt ist, welches in ein Düsengehäuse (18, 19) eingeschraubt no in diesem zur axialen Einstellbewegung des Halters (28) gegenüber der ringförmigen Elektrode (2) in axialer Richtung vor- und zurückschraubbar ist.

7. Plas:'nadüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, da; die zentrische Elektrode (3) eine im wesentlichen kegelige Spitze (40) aufweist, an die sich ein kegelstumpfförmiger Zwiscuenabschnitt (44) anschließt, der in einen zylindrischen Hauptteil (42) der Elektrode übergeht (1. 2).

8. Plasmadüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Elektrodenspitze (40) etwa 1000 beträgt und daß der Neigungswinkel des kegelstumpfförmigen Zwischenabschnittes (44) etwa 100 ist (Fig. 2).

9. Plasmadüse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des kegelstumpfförmigen Zwischenabschnittes (44) bedeutend größer als die axiale Länge der Elektrodenspitze (40) ist (Fig. 2).