DE1907253A1 - Equipment for plasma processing of materials - Google Patents
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Description
1. David Grigorjevic Bychovskij, 12. Febr. 1969 Leningrad/UdSSR, KonduÄennyd per.11. David Grigorjevic Bychovskij, February 12, 1969 Leningrad / USSR, KonduÄennyd per.1
2. Aleksandr Jakovlevic Kedvedjev, P <2> Leningrad/ UdSSH, ul.Kaljajeva 32. Aleksandr Jakovlevic Kedvedjev, P <2> Leningrad / USSH, ul.Kaljajeva 3
EINRICHTUNG ZUR PLASMABEARBEITUNG VON . MATERIALIENEQUIPMENT FOR PLASMA PROCESSING OF. MATERIALS
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Plasmabearbeitung von Materialien, insbesondere auf Einrichtungen zur Plasmabearbeitung von Materialien in aktiven Medien, vorzugsweise zum Plasmabrennschneiden von Metallen.The present invention relates to devices for plasma processing of materials, in particular to devices for plasma processing of materials in active media, preferably for plasma cutting of metals.
Sie kann auch zur Oberflächenabschmelzung, beispielsweise zur Entfernung der mit Fehlern behafteten Oberflächenschicht an Guß- und Walzerzeugnissen oder zur Örtlichen Beseitigung von Fehlstellen an Einzelteilen (Risse, Lunker, Häute) angewendet werden·It can also be used for surface melting, for example for removing the surface layer with defects Used on cast and rolled products or for local removal of defects on individual parts (cracks, cavities, skins) will·
Die Erfindung kann ferner zur Erhitzung von chemisch aktiven Gasen und ihren Gemischen sowie zur thermochemischen Oberflächenbearbeitung von Materialien, beispielsweise zur Nitrierung, Einsatzhärtung und anderen ähnlichen Prozessen Anwendung finden.The invention can also be used for heating chemically active Gases and their mixtures as well as for thermochemical surface treatment of materials, e.g. for nitriding, case hardening and other similar processes Find.
Die vorliegende Erfindung kann sowohl mit zusätzlichemThe present invention can be used with additional
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Schutz, wie auch ohne zusätzlichen Schutz der Katocteneinheit angewendet werden.Protection, as well as without additional protection of the Katocteneinheit be applied.
Allgemein bekannt ist eine Einrichtung zur Plasmabearbeitung von Materialien in aktiven Medien, vorzugsweise zum Schneiden von Metallen.A device for plasma processing of materials in active media, preferably for Cutting of metals.
Die Einrichtung enthält eine Katode, die in einem gekühlten Katodenhalter untergebracht ist. Letzterer ist über eine Isolierzwischenlage mit einem Gehäuse verbunden, in dem gekühlte Düsen mit zentralen Kanälen untergebracht sind, die zur Stabilisierung der Bogenentladung bestimmt sind. Die Katode ist . aus einem Metall ausgeführt, das chemische Verbindungen mit den Bestandteilen des Mediums bildet. Zu diesen Metallen gehören Zirkonium, Lanthan, Strontium, Yttrium, Thorium und ihre Legierungen. The device contains a cathode which is housed in a cooled cathode holder. The latter is about one Intermediate insulating layer connected to a housing in which cooled nozzles with central channels are accommodated, which lead to Stabilization of the arc discharge are intended. The cathode is. Made from a metal that has chemical compounds the constituents of the medium. These metals include zirconium, lanthanum, strontium, yttrium, thorium and their alloys.
Jedoch ist die Verwendung der oben beschriebenen Einrichtung durch folgende Kachteile der Katode, d.h. des Materials, aus dem sie ausgeführt ist, begrenzt.However, the use of the device described above is limited by the following chamber parts of the cathode, i.e. the material from which it is executed is limited.
Die vorstehend beschriebene Katode besitzt geringe Lebensdauer, die bei Bog ens tr Omen von j5OOA nicht mehr als 4- Stunden beträgt.The cathode described above has a short service life, which does not exceed 4 hours with arcs tr omen of 500A amounts to.
Bei Bogenströmen über 3OOA steigt die Katodenabnutzung derart an, daß ihre Anwendung praktisch unmöglich wird.At arc currents above 300A, cathode wear increases to such an extent that their application becomes practically impossible.
Die bekannte Katode weist keine ausreichende Arbeitsstabilität auf. The known cathode does not have sufficient operational stability.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile.The aim of the present invention is to eliminate the drawbacks mentioned.
Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, eine solche Einrichtung zur Plasmabearbeitung von Materialien in aktiven Medien, vorzugsweise zum Schneiden von Metallen, zu schaffen, deren Katode eine minimale Abnutzung hät-The present invention is based on the object of providing such a device for plasma processing of materials in active media, preferably for cutting metals, the cathode of which has minimal wear.
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te oder sich bei Bogenströmen von 3OOA praktisch nicht abnutzen würde, während die Einrichtung selbst fähig wäre, bei Bogenströmen über 300A stabil und beständig zu arbeiten, wobei die Arbeitszeit der Katode bei Strömen über 3OOA mehr als 4 Stunden betragen soll.te or practically not wear out with arc currents of 300A while the device itself would be able to operate stably and consistently at arc currents above 300A, where the working time of the cathode for currents over 3OOA more than 4 Hours.
Die gestellte Aufgabe wird durch Verwendung äiner Einrichtung zur Plasmabearbeitung von Materialien in aktiven Medien, vorzugsweise zum Schneiden von Metallen gelöst, in der die Katode aus einem Metall ausgeführt ist, das chemische Verbindungen mit den Bestandteilen des Mediums bildet. Erfindungsgemäß wird als Metall, welches chemische Verbindungen mit den Bestandteilen des Mediums bildet, Hafnium (Hf) angewandt»The task at hand is achieved by using a device for plasma processing of materials in active media, preferably solved for cutting metals, in which the cathode is made of a metal, the chemical compounds forms with the components of the medium. According to the invention used as a metal, which forms chemical compounds with the components of the medium, hafnium (Hf) »
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch eine ausführliche Beschreibung eines konkreten Beispiels ihrer Ausführung und eine beigefügte Zeichnung erläutert, in der die Einrichtung zum Plasmabrennschneiden von Metallen in aktiven Medien schematisch dargestellt ist (Längsschnitt).In the following, the present invention is illustrated by a detailed description of a concrete example of its implementation and an accompanying drawing explains in which the device for plasma torch cutting of metals in active Media is shown schematically (longitudinal section).
Die Einrichtung zum Plasmabrennschneiden von Metallen in aktiven Medien stellt ein Gehäuse 1 dar, in dem ein Katodenhalter 2 eingeschlossen und eine Düse 3 mit einem zentralen Kanal 4 angeordnet ist, der zur Stabilisierung der Bogenentladung 5 dient. Zur Verhinderung der Entstehung eines Doppelbogens bei zufälliger Berührung der Düse 3 mit einem zu bearbeitenden Werkstücks 6 oder zur Erhöhung der Gesamtlänge des Stabilisierungskanals 4 kann mindestens noch eine Düse 7 (in der Zeichnung durch Strichlinie angegeben) angeordnet werden.The device for plasma cutting of metals in active media is a housing 1 in which a cathode holder 2 is enclosed and a nozzle 3 with a central channel 4 is arranged, which serves to stabilize the arc discharge 5. To prevent the formation of a double arch if the nozzle 3 accidentally touches one to be machined Workpiece 6 or to increase the total length of the stabilization channel 4 at least one more nozzle 7 (indicated in the drawing by a dashed line) can be arranged.
Der Katodenhalter 2 ist mittels einer Isolierhülse 8 im Gehäuse 1 befestigt und wird durch ein Kühlmittel gekühlt, das durch ein Rohr 9 zugeführt wird, welches im Innern desThe cathode holder 2 is fastened in the housing 1 by means of an insulating sleeve 8 and is cooled by a coolant, which is fed through a pipe 9 which is located inside the
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Katodenhalters angeordnet ist.Cathode holder is arranged.
Die Düsen 3 und 7 besitzen Kanäle 10 und 11, durch die das Kühlmittel strömt. Bei Verwendung von mehreren Düsen, beispielsweise von zweien, wird zwischen ihnen eine Isolierbeilage 12 (in der Zeichnung durch Strichlinie angegeben) angebracht.The nozzles 3 and 7 have channels 10 and 11 through which the coolant flows. When using several nozzles, for example two, an insulating shim is placed between them 12 (indicated in the drawing by a dashed line) attached.
Als Kühlmittel können sowohl Wasser, als auch Gas verwendet werden.Both water and gas can be used as the coolant will.
Im Gehäuse ist eine öffnung 1J> zur Zuführung von plasmabildendem Gas, beispielsweise Luft, Stickstoff- oder Gasgemischen, die Sauerstoff oder Stickstoff enthalten, vorhanden.In the housing there is an opening 1J for the supply of plasma-forming gas, for example air, nitrogen or gas mixtures containing oxygen or nitrogen.
In den Katodenhaiter 2 ist mit diesem bündig eine Katode 14 eingepreßt, die aus einem Metall ausgeführt ist, das chemische Verbindungen mit den Bestandteilen des Mediums bildet. Diese Verbindungen müssen folgende Eigenschaften besitzen.In the cathode holder 2, a cathode 14 is pressed flush with this, which is made of a metal, the chemical Forms compounds with the components of the medium. These connections must have the following properties.
Sie müssen auf der Arbeitsfläche der Katode 14 eine schwerschmelzbare Haut, beispielsweise von einem Oxid, Nitrid oder Karbid bilden. Ferner müssen diese Verbindungen hohe Parameter der Glühelektronenemission, d.h. geringe Werte der Elektronenaustrittsarbeit haben.On the working surface of the cathode 14, you must have a skin that is difficult to melt, for example made of an oxide or nitride or form carbide. Furthermore, these compounds must have high glow electron emission parameters, i.e. low values of the Have electron work function.
Erfindungsgemäß ist als solches Metall Hafnium (Hf) genommen, das bei Wechselwirkung mit dem Sauerstoff des Stick- und Kohlenstoffs, die der Zusammensetzung des plasmabildenden (Jases angehören, auf der Arbeitsfläche eine Haut bildet, die aus schwerschmelzbaren Hafniumoxiden, Hafniumnitrid oder - karbid besteht. Diese Haut besitzt eine geringe Größe der Elektronenaustrittsarbeit .According to the invention, hafnium (Hf) is taken as such metal, that when interacting with the oxygen of the nitrogen and Carbon, which is the composition of the plasma-forming (Jases belong, a skin forms on the work surface, which is made of refractory hafnium oxides, hafnium nitride or carbide consists. This skin has a small electron work function.
Außerdem sind Aufbau und wärmephysikalische Eigenschaften der Haut so beschaffen, daß die weitere reaktive Diffusion aktiver Bestandteile des plasmabildenden Mediums erschwert wird, oder aber unter gewissen Umständen ganz aufhört.In addition, the structure and thermal properties of the skin are such that the further reactive diffusion active components of the plasma-forming medium is made more difficult or, under certain circumstances, stops completely.
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Diese Erscheinung gibt die Möglichkeit, die Lebensdauer der Katode beträchtlich zu erhöhen sowie den Arbeitsstrom auf über 3OOA zu vergrößern.This phenomenon gives the possibility of the life span to increase the cathode considerably and to increase the working current to over 3OOA.
Der Katodenhalter 2 der Einrichtung steht unter negativem Potential, das zu bearbeitende Werkstück 6 aber unter positivem Potential. Die Bogenentladung 5 brennt zwischen der Katode 14 und dem Werkstück 6, wobei sie durch den Stabilisierungskanal 4 der Düse 3 geht. Benutzt man die zusätzliche Düse 7i so geht die Entladung 5 auch durch den Stabilisierungskanal 15 der Düse 7. In diesem Falle werden die Düsen 3 und 7 so angeordnet, daß die Achsen der Katode 14 und der Kanäle 4 und 15 zusammenfallen.The cathode holder 2 of the device is under negative potential, but the workpiece 6 to be machined is under positive potential. The arc discharge 5 burns between the cathode 14 and the workpiece 6, passing through the stabilization channel 4 of the nozzle 3 . If the additional nozzle 7i is used, the discharge 5 also passes through the stabilization channel 15 of the nozzle 7. In this case, the nozzles 3 and 7 are arranged so that the axes of the cathode 14 and the channels 4 and 15 coincide.
Aktives Gas gelangt in die Einrichtung durch eine öffnung 13 und geht zusammen mit der Bogenentladung 5 durch die Kanäle 4 und 15.Active gas enters the device through an opening 13 and goes through the channels together with the arc discharge 5 4 and 15.
Aufgrund der Versuche mit der oben beschriebenen Einrichtung mit einer Katode aus Hafnium (Hf)1 und zwar dem Versuchsschneiden der niedriggekohlten Stähle an der Luft wurde festgestellt, daß sich die Katode aus Hafnium bei Bogenströmen bis 400A praktisch nicht abnutzt. Bei Bogenströmen über 400A beträgt die Arbeitszeit der Katode 10-16 Stunden.Based on the tests with the device described above with a cathode made of hafnium (Hf) 1 , namely the test cutting of the low-carbon steels in air, it was found that the cathode made of hafnium practically does not wear out at arc currents up to 400A. With arc currents over 400A, the working time of the cathode is 10-16 hours.
Das Vorhandensein eines Arbeitsstroms bis 400A und mehr gestattete es, die Schnittgeschwindigkeit des niedriggekohlten Stahls gegenüber dem üblichen Verfahren um ein 1,5 2faches zu erhöhen.The presence of an operating current up to 400A and more allowed the cutting speed of the low-carbon Stahls compared to the usual process by a factor of 1.5.
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