DE1908949U - Plasmaspritzpistole. - Google Patents

Description

Plasmaspritzpistole

Die Neuerung betrifft eine Plasmaspritzpistole mit gleichmäßiger Pulverzufuhr, "bei der das in einer Lichtbogenstrecke gebildete Plasma durch eine im Brennkanal angeordnete Düse tritt. Plasmaspritzpistolen oder Plasmabrenner zum Versprühen von pulverförmigen Stoffen in schmelzflüssigem Zustand haben ein wachsendes Anwendungsgebiet. Sie werden einmal eingesetzt, um Stoffe aufzutragen, · die wegen ihres hohen Schmelzpunktes, wie beispielsweise Wolfram, nicht mit anderen Methoden zu Überzügen auf Werkstücken verarbeitet werden können. Zum anderen können Formkörper a?us schwer zu verarbeitenden Materialien hergestellt werden. Dazu''können z.B. rotierende F-ormstäbe verwendet werden, auf die das gewünschte Material aufgesprüht wird, und die dann aus dem gewonnenen Werkstück ausgeschmolzen, oder ausgebrannt werden.

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Bei einer "bekannten Plasmaspritzpistole tritt das in einer.Lichtbogenstrecke im Brennkanal gebildete Plasma durch eine im Kanal des Brenners angeordnete Düse, hinter der ein Pulverzuführungskanal mündet. Das Arbeitsgas wird dabei in der Lichtbogenstrecke ionisiert, wodurch es Plasmaeigenschaft erhält. Mit einer solchen Plasmaspritzpistole ist eine gleichmäßige Pulverzuführung möglich.

Bei Plasmabrennern taucht nun allgemein das Problem auf, dem Arbeitsgas hohe Leistung auf verhältnismäßig kleinem Raum zuzuführen. Deshalb wird bei einem bekannten Plasmabrenner angestrebt, den Lichtbogen und einen ummantelnden Gasstrahl durch eine Düse so einzuschnüren, daß der Lichtbogen und der Gasstrahl ein und dieselbe Strömung bilden. Dazu wird u.a. vorgesehen, den zwischen Elektroden brennenden Lichtbogen mittels des Gasstromes in die einschnürende Düsenbohrung hineinzublasen. Das hat den Nachteil, daß die Düse sehr stark beansprucht wird und nur eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer aufweisen kann. Von der mangelhaften Standfestigkeit dieser Düse abgesehen, könnte man daran denken, diese Düse zum Ansaugen von Pulver einzusetzen, indem man z.B. hinter der Düse einen Pulverkanal mühüen läßt. Es hat sich aber als Nachteil herausgestellt, daß das Pulver dann im Lichtbogen und in seinem Fußpunkt derart erschmolzen wird, daß es an den Kanalwänden zu Ablagerungen kommt, die zur Verstopfung des Brennkanals führen können.

Um den geschilderten Schwierigkeiten auszuweichen, wird bei bekannten Plasmaspritzpistolen das Pulver mit einem zusätzlichen Transportgas in den Brennkanal unter Druck zugeführt. Das bringt aber neben strömungstechnischen Nachteilen den weiteren Nachteil mit sich, daß in die heiße Zone des Brennkanals verhältnismäßig viel kühles Gas zugegeben wird.

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Da es sich gezeigt hat, daß u.a. durch gestörte Strömungsverhältnisse die Pulverzuführungsleitungen verstopfen, sieht ein "bekannter Vorschlag vor, das Pulver erst kurz vor der Austrittsöffnung des plasmaführenden Kanals und nach dem eigentlichen Brennkanal mit der Lichtbogenstrecke durch ein'Transportgas zuzugeben. Dabei bereitet es große Schwierigkeiten, das Pulver ausreichend zu erschmelzen. Andererseits verlangt aber die Fokussierung des er- · · schmolzenen Pulvers im Plasmastrahl einen genügend langen Kanal nach der_Pulverzugabe.

Ein anderer bekannter Vorschlag sieht deshalb vor, das aufzutragende Material in Stabform einem Plasmabrenner zuzuführen. Dabei muß man in Kauf nehmen, daß aus dem aufzutragenden Pulver erst . Stäbe gepreßt werden müssen, die zudem bei vielen Materialien sehr zerbrechlich sind. Es ist auch nicht einfach, die Stäbe dem Plasmabrenner so zuzuführen, daß die Strömungsverhältnisse ungestört bleiben. . .

Alle die geschilderten Schwierigkeiten werden durch die !Teuerung in einfacher Y/eise dadurch überwunden, daß die Düse mit anschließender Mündung eines Pulveransaugkanals außerhalb der Lichtbogenstrecke angeordnet ist. ■ -

Der neuen Anordnung liegt außerdem die Erkenntnis zu G-runde, daß es bei der dem Arbeitsgas durch den Lichtbogen zuführbaren Leistung lediglich auf Lichtbogenspannung und Stromstärke sowie auf die Menge eines umhüllenden Gasstromes am Lichtbogen! ankommt. Die Lichtbogenspannung kann dabei u.a. diirch strömunjgsbedingte Liehtbogenverlängerung erhöht werden. Die in den Lichtbogen eintretende Gasmenge ist dabei von der Wahl eines Düsendurchmessers- einer

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etwa um Gasstrom und Lichtbogen angeordneten Düse weitgehend unabhängig. Deshalb kommt man ohne eine um Lichtbogen und Gasströmung angeordnete v/eitere Düse aus, weshalb Lebensdauer und Leistungsfähigkeit erhöht werden. Der Lichtbogen kann dann gegen die beispielsweise als Anode geschaltete Wand des Brennraumes bzw. Brennkanals brennen.

Der besondere Vorteil der neuen Plasmaspritzpistole mit der speziellen Anordnung einer Düse und eines Pulveransaugkanals, gegenüber Geräten, bei denen Pulver zugedrückt wird, liegt in der Ieistungsabhängigen Selbststeuerung der Pulverzuführung: . .

Wird einmal der Gasdurchsatz für die Plasmaspritzpistole erhöht, so wird der strömungsunten brennende Lichtbogenfußpunkt von der. Gasströmung fortgetragen, weshalb der verlängerte Lichtbogen höhere Spannung aufweist und somit größere Leistung abg-eben kann. Dadurch wird das Plasma stärker.erhitzt und die Strömungsgeschwindigkeit durch die Düse mit der Mündung des Pulveransaugkanals erhöht, weshalb der Unterdruck in der Ansaugleitung ansteigt und mehr Pulver zugeführt wird.

Y/ird dem Lichtbogen andererseits, beispielsweise durch Verkleinern des Begrenzungswiderstandes,ein größerer Strom zugeführt, so wird das Plasma ebenfalls stärker erhitzt und bei größerer Plasmaströmung mehr Pulver angesaugt. Da das in den Lichtbogen eintretende Gas ionisiert und erhitzt wird, kommt es gleichzeitig zu einer . Erhöhung der Leitfähigkeit im Lichtbogenpfad - der Lichtbogen wird durch das Gas getragen -, weshalb die Stromstärke vielter ansteigen kann. Im Endeffekt wird auch hier -bei größerem Plasmadurchsatz und höherer Strömung mehr Pulver angesaugt. Bei einer erfindungsgemäßen

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Plasmaspritzpistole wird also automatisch, immer die günstigste Pulvermenge zugeführt. Bei bekannten !Flammspritzpistolen, "bei denen mitunter Piilver angesaugt wird, tritt die Selbststeuerung nicht auf, . da das Pulver in kaltes Gas zugegeben wird, das am Kanalende mit einer Flamme verbrennt. Deshalb ergeben sich, bei ■Flammspritzgeräten beim PuIveransäugen auch keine besonderen Schwierigkeiten.

In der Zeichnung ist eine nach, dem Baukastensystem zusammengesetzte Plasmaspritzpistole als besondere Ausgestaltung der Neuerung schematisch dargestellt.

Pig. 1 gibt die Plasmaspritzpistole im Längsschnitt wieder.

Fig. 2 ist die perspektivische Ansicht der auseinandergenommenen Teile der Plasmaspritzpistole nach Fig.t.

In dem Diagramm nach Fig.3 ist der Ansaugunterdruck über der Durchflußmenge des Arbeitsgases abgetragen.

Fig. 4 gibt ein Diagramm für den Ansaugunterdruck,über der Lichtbogenleistung abgetragen,wieder.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1 ±st mit 1 eine tellerförmige Kathodenhalterung aus einem Material wie Messing bezeichnet. Zentrisch eingesetzt ist eine stiftförmige Kathode 2, die aus Wolfram, gefertigt sein kann. Die Kathode hat etwa einen Durchmesser von 4 mm und ist elektrisch gegen den im wesentlichen zylindrischen Mantel5,z.B. aus Stahl, dadurch isoliert, daß die tellerförmige Halterung zum Mantel einen Abstand aufweist. Am Rücken 4 des Mantels 3 ist für Zuführungen ein Schlitz ausgefräst, der um das Kühlmittel-

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abführungsrohr 5 erweitert sein kann. Es folgt ein elektrisch

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isolierender Ring 6, z.B. aus Hartgummi," mit -einem Schlauchanschlußstutzen 7, beispielsweise aus PVC, für die Zuführung von Arbeitsgas. In den anodisch geschalteten Brennkanal 8, der aus Kupfer sein kann, taucht die Kathode höchstens bis auf 1/3 der Brennkanallänge ein. Am Strömung sende des Brennkanal.s 8 ist eine Düse 9 aus Wolfram eingesetzt. Der Brennkanal hat etwa eine Länge von 20 mm und einen Durchmesser von 5 mm. Mit der Schulterpartie ist die Düse 9 -etwa 6 mm lang und hat etwa einen Durchmesser von 3 mm. Brennkanal und Düse werden von einem Kühlringkörper 10 aus Messing ummantelt.

Der strömungsab nach der Düse liegende Brennerkanal führt das Plasma zum Werkstück und soll hier als Plasmakanal bezeichnet werden. Im Plasmakanal 11 ist eine glatte Oberfläche wichtig. Der Kanalkörper kann aus Kupfer bestehen, das in der Kanalbohrung po- -liert wurde oder das verchromt oder mit einem Nickelüberzug versehen wurde. Es hat sich auch gezeigt, daß Molybdän oder Wolfram für den Plasmakanal besonders geeignet ist. In dem flanschartigen Portsatz 12 des'Plasmakanals liegt ein am inneren Umfang offener Ringkanal 13 zum Ansaugen von Pulver, das über eine Ansaugleitung 14 zugeführt wird. Plasmakanal und Planschteil sind in einen Hüllkörper 15 aus Messing eingelötet und bilden den Plasmakanalringkörper 16. Länge und Durchmesser des Plasmakanals können der gewünschten Strahlbündelung angepaßt werden. Ein enger und langer Kanal ergibt starke Fokussierung des Pulvers im Plasmastrahl. Bei den Maßen des Ausführungsbeispiels kann die Länge des Plasmakanals etwa zwischen 10 und 20 mm und der Durchmesser von 4'bis 5 mm schwanken. Über den Rohranschluß 20 des Plasmakanalringkörpers wird das Kühlmittel zugeführt. Die geschilderten Bauteile können durch eine Schraubverschlußplatte 21, z.B. aus Stahl, in dem

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Mantel 3 zusammengepreßt werden. Die Schraubverschlußplatte 21 ist gegen die tellerförmige Kathodenlialterung 1 durch eine Isolierscheibe 22, beispielsweise aus PVC, elektrisch isoliert. Der'beschriebene Pic-totyp einer Brennerreihe für verschiedene Leistungenist bei einem Gasdurchsatz von 4 bis 25 l/min für Leistungen von rund ca, 1 bis 12 kW geeignet. Bei diesen Leistungen und den angegebenen Abmessungen ist sichergestellt, daß der Lichtbogen die Düse nicht erreicht. Wesentlich ist, daß bei einer Eintauchtiefe einer stiftförmigen Elektrode bis zu einem Drittel der Brennkanallänge diese in der Größenordnung von etwa zwei bis vier Kanaldurchmessern liegt.

Die Anschlußrohre 5 und 20 für ein Kühlmedium wie Wasser können gleichzeitig für die Stromzuführung verwendet werden. Um bei höchsten Leistungen einen elektrischen Nebenschluß, über das Kühlmedium zu vermeiden, müßte destilliertes Wasser verwendet werden oder für den·Brennkanal ein eigener elektrischer Anschluß vorgesehen werden. In der Zeichnung ist der elektrische Anschluß durch die Batterie 23 und den stellbaren Begrenzungswiderstand R wiedergegeben. Die Düse 9 kann im übrigen elektrisch isoliert sein.

"Durch entsprechend größer dimensionierte Bauteile kann die neue Plasmaspritzpistole leicht für höhere Leistungen ausgelegt werden.

Bei der nach dem Baukastensystem ausgelegten neuen Plasmaspritzpistole ist es jederzeit leicht möglich, schadhaft gewordene feile auszuwechseln. Das wird vor allem auch dadurch ermöglicht, daß die einzelnen Bauteile durch ein Kühlkanalsystem verbunden sind, das durch -Gummidichtungen in Ringkehlungen' 25 an den Übergangsstellen zwischen den einzelnen Bauteilen abgedichtet ist. Das

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Kühlkanalsystem wird durch zylindrische Kühlspalte 18, durch sieh _ ia radialer Richtung erstreckende Ringspalte 17 sowie durch axiale Bohrungen 19 gebildet. An den Übergangsstellen zwischen den Bauteilen sind Ringverteilungen 24 ausgefräst. Der geschilderte baukastenartige Aufbau ist für Plasmaspritzpistolen grundsätzlich neu.

Um aus dem Plasmastrahl 26 kühle Randzonen auszublenden, kann eine Blende 27 über Halterungen 29 an die Plasmaspritzpistole ange-

schraubt werden. Die Blende 27 kann aus nicht rostendem Stahl gefertigt sein und über einen Kühlkanal 28 durch ein Kühlmittel gekühlt v/erden. _ · ■

Das Elektrodenpotential von Kathode und Anode kann ohne wesent- . liehe Nachteile vertauscht werden. Auch Wechselspannung kann an die Elektroden gelegt werden, wenn die Frequenz so hoch ist, daß der Lichtbogen nicht erlischt. Bei allen Stromversorgungsarten kann die Plasmaspritzpistole durch vorübergehendes Anlegen von Hochfrequenzspannung an die Elektroden gezündet werden.

In Pig.2 sind die auseinandergenommenen Bauteile der Plssmasprltz-"pistole nach Fig.1 perspektivisch dargestellt und mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Pig.3 ist der Unterdruck P, mit dem das Pulver angesaugt wird, auf der Ordinate in Millimeter Wassersäule abgetragen. Auf der Abszisse ist die Durchflußmenge D' in Litern pro Minute, angegeben. Die Meßkurve ist für Argon als Arbeitsgas aufgenommen. Die Werte wurden an einer Plasmaspritzpistole mit folgenden Daten gemessen: Brennkanallänge 20 mm bei einem Durchmesser von 5 mm. Kathodendurchmesser 4 mm bei einer Eintauchtiefe von 4 mm in den Brettnkana!. I ·

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. Die Düse ist mit Schultern 6 mm lang -und weist einen Durchmesser von 3 mm auf. Der Plasmakanal ist 10 mm lang bei einem Durchmesser Ton 4 mm. Aus dem Diagramm nach Fig.3 geht die Selbststeuerung der Plasmaspritzpistole deutlich hervor.

In Fig. 4 ist der Unterdruck P an der Pulveransaugleitung, wieder in Millimeter Wassersäule auf der Ordinate abgetragen, und auf der Abszisse ist die vom Lichtbogen aufgenommene Leistung Ή .in kW Stunden angegeben.'Die gestrichelten·Kurven beziehen sich"auf Argon als Arbeitsgas,und die ausgezogenen Kurven sind für Stickstoff gemessen worden. An den Kurven ist die Gasdurehsatzmenge in Litern pro Minute als Parameter angegeben. Die Meßwerte nach Fig.4 werden mit derselben Plasmaspritzpistole gewonnen, die das Diagramm nach Fig.3 geliefert hat. Aus Fig.4 kann man die leistungsabhängige Selbststeuerung des Ansaugdruckes für das Pulver erkennen.

Als Arbeitsgas eignen sich im Prinzip alle Gase, die zu den verwendeten Baumaterialien nicht besonders aggressiv sind. Da einatomige Gase durch Ionisierung weniger Energie aufnehmen können als zweiatomige Gase durch Dissoziierung und Ionisierung, eignen sich die einatomigen Edelgase besonders zum Zünden. Die Verwendung von mehratomigen Gasen bietet dagegen den Vorteil, daß durch Rekombination vor dem Werkstück wieder Energie in Form von Wärme frei wird. Als besonders- geeignet haben sich dabei Stickstoff.- -Argon -Gemische in allen Mischungsverhältnissen erwiesen. Argon-Wasserstoff-Gemische bis zu maximal 20fp Wasserstoff ,,lassen sich leicht zünden und reichen fur nicht zu stark wärmeleitende Werkstoffe aus.

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Durch Zusatzeinrichtungen oder geringfügige Abänderungen erschließen sich der neuen Plasmaspritzpistole weitere Anwendungsgebiete. So können Plasmaströmungen bzw. Gasströmungen mit Überschallgeschwindigkeit erreicht werden, wenn dem Plasmakanal eine Laval .düse- nachgeschaltet wird. Statt durch die Pulveransaugleitung Pulver ansaugen zu lassen, kann man auch über diesen Ansaugkanal ein weiteres Gas zugeben. Durch geeignete Gasmischun'gen kann man somit unabhängig von "der Brenncharakteristik des Lichtbogens jede gewünschte Temperatur innerhalb eines weiten Bereiches einstellen. Da ein über den Ansaugkanal 14 angesaugtes Gas in heißes Plasma gegeben wird, das man durch eine nachgeschaltete Lavaldüse rasch abkühlen kann, eignet sich die neue Plasmaspritzpistole auch zur Durchführung chemischer Reaktionen.

Ohne irgendwelche Zusatzschaltungen eignet sich die Neuerung auch zum Schneiden von Werkstoffen, die schlechte Wärmeleiter sind. ^Der Pulveransaugkanal kann dann verschlossen werden. Bei offenem Pulveransaugkanal kann man ein korrodierendes Gas oder in anderen Fällen ein Schutzgas zugeben.

Soll die Plasmaspritzpistole ein Pulver aus einem Behälter entnehmen, der einige Meter von der Arbeitsstelle entfernt steht, so kann man zum Ausgleich für die Strömungsverluste in der Ansaugleitung den Behälter unter Überdruck setzen. Die Vorteile der neuartigen Plasmaspritzpistole bleiben dadurch voll erhalten, da das. Pulver nach wie vor angesaugt wird; die Druckdifferenz wird lediglich der verlängerten Ansaugleitung angepaßt.

9 Schubζanspräche
4 Figuren.

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Claims (1)

1. PLA 64/1584 GM

   PA 6 M O 3 8*12.9.64

   Schutzansprüche

   1. Plasmaspritzpistole mit gleichmäßiger Pulverzuführung, bei der das in einer Lichtbogenstrecke gebildete Plasma durch eine im

   • Brennkanal angeordnete Düse tritt, hinter der ein Pulveransaugkanal mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse außerhalb der Lichtbogenstrecke angeordnet ist.

   2. Plasmaspritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet-, daß eine stiftförmige Kathode in einem anodisch geschalteten zylindrischen Brennkanal mit einer Länge in der Größenordnung von etwa zwei bis vier Kanaldurchmessern nicht weiter als bis auf ein Drittel der Brennkanallänge eintaucht, und daß am Brennkanalaustritt eine Düse mit einer Pulveransäugleitung angeordnet ist.

   '3· Plasmaspritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem im wesentlichen zylindrischen Mantel (3) nach Baukastensystem zus ammenge se tz~t ist aus einer tellerförmigen Kathodenhalterung (1) mit einer zentrisch angesetzten stiftförmigen Kathode (2)-, einem elektrisch isolierenden Ring (6), einem anodisch geschalteten Brennkanal (8), in den die Kathode eintaucht und in dem eine Düse (9) eingesetzt ist, wobei der Brennkanal von einem Kühlringkörper (10) ummantelt wird, sowie · aus einem Plasmakanalringkörper' (16) mit einer Pulveransaugf leitung (14).

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   4· Plasmaspritzpistole nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile lediglich mittels einer Schraubverschlußplatte (21) und einer Isolierscheibe (-22) im Mantel (3) ziusammengepreßt sind-.-

   5. Plasmaspritzpistole nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen am inneren Kanalumfang offenen Ansaugring für die Pulverzufuhr.

   6. Plasmaspritzpistole nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmakanal auf " Hochglanz poliert ist.

   7. Plasmaspritzpistole nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmakanal aus Kupfer besteht und verchromt oder mit einer Hickelschicht überzogen ist.

   8. Plasmaspritzpistole nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmakan.al aus Molybdän oder Wolfram gefertigt ist.

   9. Plasmaspritzpistole nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Aus tritt soff nimg des Plasmakanals eine Blenue zum Ausblenden kühler Randbereiche angeordnet ist.

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