DE19716235A1 - Plasmabrenner mit einer fluidgekühlten Anode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einer fluid­ gekühlten Anode und einer Kathode, wobei zwischen Kathode und Anode in einem Brennraum ein Lichtbogen erzeugbar ist und ein Brennergas zur Plasmabildung durch den Lichtbogen führbar ist.

Derartige Plasmabrenner sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden beispielsweise in Beschichtungssystemen eingesetzt. Sie sind üblicherweise aus hartlötbaren Nicht- Eisen-Metallen und insbesondere Messing gefertigt (mit Aus­ nahme der Elektroden). Sie weisen daher ein entsprechend hohes Gewicht auf, das zu Nachteilen bei ihrem Einsatz führt.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist und universell einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß der Plasmabrenner zur Beaufschlagung der Anode mit Kühlmittel Kühlmittelkanäle aufweist, welche so angeordnet und ausge­ bildet sind, daß sie mittels spanabhebender Materialbearbei­ tung herstellbar und lötstellenfrei sind.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Plasmabrennern werden Kühlmittelkanäle mittels Gegenbohrungen hergestellt. Diese Gegenbohrungen müssen nachträglich drucksicher ver­ schlossen werden, welches über Hartlötung erfolgt. Dies ist der Grund dafür, daß diese bekannten Vorrichtungen aus hart­ lötbaren Nicht-Eisen-Metallen gefertigt sind und ein ent­ sprechend hohes Gewicht aufweisen. Durch den Lötvorgang bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen werden Gefügeveränderungen am Werkstoff verursacht, die eine Nach­ bearbeitung der Lötstellen erforderlich macht. Erschwert wird diese Nachbearbeitung dadurch, daß die Lötstellen innerhalb der Kühlmittelkanäle von außen nur sehr schwer zugänglich sind. Da bei dem Lötvorgang der Lotfluß nicht vollständig kontrollierbar ist, kann in die Kühlmittelkanäle fließendes Lot deren Strömungsquerschnitte insbesondere an kritischen Stellen verengen. Dies macht es erforderlich, daß nach der Nachbearbeitung und einer Säuberung der Lötstellen ein solcher Plasmabrenner auf den Kühlmitteldurchfluß hin ver­ messen werden muß. Durch die Unkontrollierbarkeit und Nichtreproduzierbarkeit des Lotflusses werden entsprechend hohe Ausschußraten bei der Produktion verursacht. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erfordern daher einen hohen fertigungstechnischen Aufwand und sind dement­ sprechend teuer.

Bei dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner sind die Kühlmittel­ kanäle so angeordnet und ausgebildet, daß sie mittels spanab­ hebender Materialbearbeitung herstellbar und lötstellenfrei sind. Die Kühlmittelkanäle für das Kühlmittel, als welches insbesondere Wasser verwendet wird, weisen keine Gegenboh­ rungen auf, die nachträglich verschlossen werden müssen. Durch die lötstellenfreie Herstellung der Kühlmittelkanäle werden keine Gefügeveränderungen des Werkstoffes, aus dem der Plasmabrenner gefertigt ist, verursacht. Außerdem ist ein Lotfluß vermieden. Die Kühlmittelkanäle sind insbesondere mittels numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen endkonturnah und paßgenau fertigbar und entgratbar, so daß keine arbeits­ intensiven Nachbearbeitungen und keine nachträglichen Meß- und Kalibrierungsprozeduren für die Kühlmittelkanäle erfor­ derlich sind.

Dadurch, daß keine Hartlötungen mehr erforderlich sind, läßt sich der erfindungsgemäße Plasmabrenner auch aus nicht hart­ lötbaren Nicht-Eisen-Metallen fertigen. Insbesondere können leichte Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium-Hartlegie­ rungen verwendet werden. Dies resultiert in einer Gewichts­ reduzierung des erfindungsgemäßen Plasmabrenners gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Plasmabrennern auf beispielsweise ein Drittel von diesen. Es können dann auch Materialien wie gerade Aluminium-Hartlegierungen verwendet werden, die gegenüber den bisher eingesetzten Werkstoffen eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Durch diese höhere Wärmeleitfähigkeit wird die Kühlkapazität und die Homogeni­ sierung der Temperaturverteilung innerhalb der Komponenten des Plasmabrenners verbessert. Dies bewirkt insbesondere eine längere Lebensdauer des erfindungsgemäßen Plasmabrenners gegenüber bekannten Vorrichtungen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Plasmabrenner aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus einer Aluminium-Hartlegierung wie beispiels­ weise AlMgSi1 gefertigt ist (mit Ausnahme der Elektroden).

Durch sein geringeres Gewicht gegenüber bekannten Vorrich­ tungen läßt sich der erfindungsgemäße Plasmabrenner bei­ spielsweise bei einem Spritz- oder Beaufdampfungsvorgang genau Positionieren und der Verschleiß der Positionierungs­ vorrichtung, beispielsweise eines Roboterarms, ist aufgrund der verringerten Trägheitskräfte reduziert.

Insgesamt läßt sich der erfindungsgemäße Plasmabrenner wesentlich kostengünstiger als aus dem Stand der Technik bekannte Plasmabrenner fertigen und viel universeller ein­ setzen.

Bisher wurden keine Aussagen gemacht, wie die Anode ausge­ bildet ist. In einer günstigen Variante einer Ausführungsform ist die Anode als Ringelektrode ausgebildet. Der Brennraum ist dann zwischen einem Innenringraum der Ringelektrode und der Kathode gebildet, so daß dieser einen großen Raumbereich umfaßt und das Plasma auf effektive Weise erzeugbar ist. Eine solcher Ringelektrode läßt sich auf einfache Weise fluid­ kühlen, indem beispielsweise die Elektrode auf einer dem Brennraum abgewandten Seite mit Kühlmittel beaufschlagt wird.

Fertigungstechnisch besonders günstig ist es, wenn der Plasmabrenner einen Anodenhalter umfaßt, in den die Anode eingesetzt ist. Dadurch läßt sich der Plasmabrenner auf ein­ fache Weise zusammenbauen.

Für die Zuführung von Kühlmittel zur Anode und die Abführung von Kühlmittel von der Anode ist es vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle Strömungskanäle umfassen, die im wesent­ lichen parallel zu einer Längsachse der Anode angeordnet sind und wenn die Kühlmittelkanäle Strömungskanäle umfassen, die in einem Winkel zur Längsachse der Anode angeordnet sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn Strömungskanäle zur Beauf­ schlagung der Anode mit Kühlmittel in den Anodenhalter inte­ griert sind. Auf diese Weise lassen sich die Strömungskanäle fertigungstechnisch einfach herstellen und können so ange­ ordnet und ausgebildet werden, daß die Anode so mit Kühl­ mittel beaufschlagt ist, daß sie optimal gekühlt wird.

Es ist dann insbesondere vorteilhaft, wenn zwischen dem Anodenhalter und der Anode ein Strömungsraum für das Kühl­ mittel zur Beaufschlagung der Anode mit Kühlmittel gebildet ist. Auf diese Weise läßt sich eine dem Brennraum abgewandt Anodenoberfläche großflächig mit Kühlmittel beaufschlagen, so daß Wärme von der Anode großflächig abführbar ist. Dadurch wird insbesondere die Lebensdauer der Anode verlängert.

Die Strömungskanäle des Anodenhalters, welche parallel zu einer Längsachse des Anodenhalters angeordnet sind, sind bei einer fertigungstechnisch besonders günstigen Variante einer Ausführungsform mittels Sacklochbohrungen hergestellt.

Eine Zufuhr von Kühlmittel zu der Anode läßt sich dann auf besonders einfache Weise dadurch erreichen, daß die Strömungskanäle des Anodenhalters, welche in einem Winkel zur Längsachse des Anodenhalters angeordnet sind, von den Strömungskanälen, welche parallel zu der Längsachse des Anodenhalters angeordnet sind, in den Strömungsraum führen. Die Strömungskanäle, welche in den Strömungsraum führen, und/oder Mündungen in den Strömungsraum lassen sich dann auf einfache Weise mittels Fräsbearbeitung herstellen, so daß auf diese Weise Zuführungen bzw. Abführungen in den Strömungsraum geöffnet sind.

In einer besonders günstigen Variante einer Ausführungsform umfaßt der Anodenhalter Strömungskanäle, welche in einen oberen, einem Plasmaaustritt des Plasmabrenners abgewandten Bereich des Strömungsraums münden und welche der Zuführung von Kühlmittel zur Kühlung der Anode dienen. Dadurch läßt sich die Anode großflächig mit Kühlmittel beaufschlagen, wobei zu den heißesten Stellen der Anode frisches Kühlmittel zuführbar ist, so daß auf diese Weise die Wärmeabfuhr von der Anode optimiert ist. Vorteilhafterweise umfaßt der Anoden­ halter dann Strömungskanäle, welche in einen unteren, dem Plasmaaustritt zugewandten Bereich des Strömungsraums münden und welche der Abführung von Kühlmittel dienen. Dadurch läßt sich an weniger heißen dem Plasmaaustritt zugewandten Stellen der Anode erhitztes Kühlmittel abführen.

Zur großflächigen Beaufschlagung der Anode weisen günstiger­ weise die Mündungen der Strömungskanäle, welche in den oberen Bereich des Strömungsraums führen, dem unteren Bereich des Strömungsraum zugewandt eine Abschrägung auf, so daß auf diese Weise der in den Strömungsraum einströmende Kühlmittel­ strom aufgeweitet wird und die Anode großflächig mit Kühl­ mittel beaufschlagt ist.

Vorteilhafterweise weisen die Mündungen der Strömungskanäle, welche in den oberen Bereich des Strömungsraums führen, in Umfangsrichtung eine Aufweitung auf. Dies trägt ebenfalls dazu bei, daß die Anode großflächig mit Kühlmittel beauf­ schlagt wird, in dem dieses über einen großen Umfangsab­ schnitt in den Strömungsraum strömt.

In einer günstigen Variante einer Ausführungsform umfaßt der Anodenhalter mindestens zwei Zuführungskanäle für Kühlmittel zu dem Strömungsraum. Ein solcher Anodenhalter ist auf ein­ fache und kostengünstige Weise herstellbar, wobei eine gute Kühlung der Anode gewährleistet ist.

Fertigungstechnisch ist es günstig, wenn der Anodenhalter mindestens zwei Abführungskanäle für Kühlmittel aus dem Strömungsraum umfaßt. Ein solcher Anodenhalter ist kosten­ günstig herstellbar, wobei ein guter Durchfluß von Kühlmittel durch den Strömungsraum zur Kühlung der Anode sichergestellt ist.

In einer besonders günstigen Variante einer Ausführungsform ist der Plasmabrenner an einem Haltearm mittels einer Klemm­ vorrichtung kraftschlüssig auf wieder lösbare Weise gehalten, wobei die Klemmvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie eine schnelle Auswechslung des Plasmabrenners am Haltearm er­ möglicht. Dadurch kann der Plasmabrenner leicht ausgetauscht werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Plasma­ brenner beispielsweise durch Elektrodendurchschlag ausfällt und er noch innerhalb einer Auskühlungsphase des bearbeiteten Werkstückes ersetzt werden muß, um das Werkstück weiterbe­ arbeiten zu können. Desweiteren ist es dadurch beispielsweise möglich, jeweils für spezifische Bearbeitungsprozesse ange­ paßte Plasmabrenner bei Mehrfachbearbeitungsvorgängen des Werkstückes für die einzelnen Bearbeitungsschritte einzu­ setzen.

Vorteilhafterweise weist die Klemmvorrichtung einen lösbaren Klemmhebel auf, welcher den Kraftschluß zwischen Haltearm und Plasmabrenner herstellt. Ein solcher Klemmhebel ist leicht bedienbar und stellt einen sicheren Kraftschluß bei geringem Kosten- und Fertigungsaufwand her.

In einer Variante einer Ausführungsform ist der Haltearm ein Roboterarm, durch welchen eine genaue Positionierung des Plasmabrenners zur Bearbeitung eines Werkstückes ermöglicht ist.

Vorteilhafterweise ist der Plasmabrenner mittels einer Steck­ kupplung an eine Brennergasversorgung für das zur Plasma­ bildung verwendete Brennergas ankoppelbar. Weiter ist es vor­ teilhaft, wenn der Plasmabrenner mittels einer Steckkupplung an eine Kühlmittelversorgung, insbesondere einer Wasserver­ sorgung ankoppelbar ist und wenn der Plasmabrenner mittels einer Steckkupplung an eine Kühlmittelabführung ankoppelbar ist. Auf diese Weise lassen sich die Brennergasversorgung, die Kühlmittelversorgung und die Kühlmittelabführung auf ein­ fache Weise vom Plasmabrenner abkoppeln und wieder ankoppeln, wenn dieser ausgetauscht werden soll oder muß. Dadurch lassen sich die Austauschzeiten minimieren, so daß insbesondere Aus­ tauschzeiten von weniger als zwei Minuten erreichbar sind und durch einen solchen Schnellwechsel eine zu starke Auskühlung eines bearbeiteten Werkstückes vermeidbar ist.

Günstigerweise umfaßt die Steckkupplung ein Kegelventil, so daß auf einfache und kostengünstige Weise eine Dichtheit der Steckkupplung gewährleistet ist.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner läßt sich auf vorteilhafte Weise in Beschichtungssystemen verwenden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen Plasmabrenners in schematischer Dar­ stellung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Anodenhalter;

Fig. 3a einen Schnitt A-A durch den erfindungsgemäßen Anodenhalter aus Fig. 2;

Fig. 3b einen Schnitt B-B durch den erfindungsgemäßen Anodenhalter der Fig. 2;

Fig. 3c einen Schnitt C-C durch den erfindungsgemäßen Anodenhalter der Fig. 2 und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Klemmvor­ richtung zur Halterung des erfindungsgemäßen Plasmabrenners.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasma­ brenners, welcher in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt ein Gehäuse 12 mit einer Mittelachse 14. Das Gehäuse weist koaxial zur Mittelachse 14 einen Hohlraum 16 auf. Der Hohlraum 16 umfaßt einen ersten Abschnitt 18 und einen zweiten Abschnitt 20, welcher einen größeren Durchmesser aufweist als der erste Abschnitt 18.

In den zweiten Abschnitt 20 des Hohlraums 16 ist ein Anoden­ halter 22 eingesetzt. Dieser ist mittels eines Befestigungs­ elements 24, beispielsweise einer Überwurfmutter, mit dem Gehäuse 12 verbunden. Eine Längsachse des Anodenhalters 22 ist koaxial zur Mittelachse 14 des Gehäuses 12.

In den Anodenhalter 22 ist eine Anode 26 eingesetzt, welche als Ringelektrode ausgebildet ist mit einer Längsachse, welche koaxial zur Mittelachse 14 ist. Die Anode 26 umfaßt einen ersten, im Querschnitt V-förmigen Abschnitt 28, welcher in dem Anodenhalter 22 dem ersten Abschnitt 18 des Hohlraums 16 zugewandt angeordnet ist, und einen zweiten im Querschnitt L-förmigen Abschnitt 30, welcher sich an den V-förmigen Abschnitt 28 in Richtung eines unteren Ende des Gehäuses 12 des erfindungsgemäßen Plasmabrenners 10 anschließt. Durch ein Befestigungselement 32, welches insbesondere eine Überwurf­ mutter sein kann, ist die Anode 26 mittels einer scheiben­ förmigen Auflage 34 des L-förmigen Abschnitts 30 in dem Anodenhalter 22 gehalten.

Die Anode 26 ist mittels des V-förmigen Abschnitts 28 und des L-förmigen Abschnitts 30 düsenförmig ausgebildet und wirkt dadurch als Brennerdüse für einen Plasmastrahl.

An einem oberen, dem Anodenhalter 22 abgewandten Ende des Gehäuses 12 sitzt über Isolierungselemente 36 vom Gehäuse 12 elektrisch getrennt ein Kathodenhalter 38, durch den eine Kathode 40 gehalten ist. Der Kathodenhalter 38 umfaßt ein Halteelement 42, welches die Kathode 40 in einem inneren Ringraum der Anode 26 hält. Dadurch ist in dem inneren Ringraum zwischen der Anode 26 und der Kathode 40 ein Brenn­ raum 44 gebildet. Das Halteelement 42 erstreckt sich durch den ersten Abschnitt 18 des Hohlraums 16 in den Anodenhalter 22.

Die Kathode 40 ist durch einen ersten zylinderförmigen Ab­ schnitt 46 und einen zweiten kegelförmigen Abschnitt 48 ge­ bildet, wobei die Kegelspitze dieses zweiten Abschnitts 48 abgerundet ist und in Richtung des unteren Endes des Gehäuses 12 koaxial zur Längsachse der Anode 26 zeigt. Die Brennkammer 44 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Achse 14.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner 10 umfaßt eine Spannungs­ versorgung (in der Figur nicht gezeigt), durch die zwischen der Kathode 40 und der Anode 26 eine Hochspannung anlegbar ist, so daß im Brennraum 44 ein Lichtbogen zwischen Kathode 40 und Anode 26 erzeugbar ist, mittels dem aus einem durch den Brennraum 44 geführten Arbeits- oder Brennergas ein Plasma erzeugt wird.

Der Kathodenhalter 38 ist kraftschlüssig mit einem Haltearm 50 verbunden, bei dem es sich beispielsweise um einen Robo­ terarm handelt. In einer Variante einer Ausführungsform ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die kraftschlüssige Ver­ bindung zwischen dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner 10 und dem Haltearm 50 über eine Klemmvorrichtung 52 (Fig. 4) er­ folgt. Die Klemmvorrichtung kann dabei, wie bei der in Fig. 1 gezeigten Variante eines Ausführungsbeispiels, an einem oberen Ende des Kathodenhalters 38 angeordnet sein oder auch an einem seitlichen Ende.

Dazu weist die Klemmvorrichtung 52, wie in Fig. 4 gezeigt ist, ein Klemmgehäuse 54 auf, welches mit dem Kathodenhalter 38 über Schrauben oder Schraubbolzen 56 kraftschlüssig ver­ bunden ist. Zwischen einer Auflagefläche 58 des Klemmgehäuses 54 und Schraubenköpfen 60 der Schrauben oder Schraubbolzen 56 sitzen dabei Sicherungsscheiben 62, welche insbesondere Hoch­ spannungssicherungsscheiben sind und Tellerfedern umfassen können, die zu einem sicheren Halt des Klemmgehäuses 54 an dem Kathodenhalter 38 dienen.

Die Klemmvorrichtung 52 umfaßt einen Klemmhebel 64, welcher mit einer Klemmscheibe 66 in einer Klemmscheibenführung 68 des Klemmgehäuses 54 drehbar gelagert ist.

Eine Drehachse 70 der Klemmscheibe 66 ist dabei exzentrisch zu dieser, so daß durch Drehung des Klemmhebels 64 ein Ab­ stand 72 zwischen der Drehachse 70 und einem Angriffspunkt 74 der Klemmscheibe an einem Auflagenelement 76 veränderbar ist. Das Auflageelement 76 kann eine Kraft auf den Haltearm 50 ausüben, um auf diese Weise eine Klemmkraft zu bewirken.

Zwischen einer Auflagefläche 78 des Klemmgehäuses 54 und einer dem Angriffspunkt 74 der Klemmscheibe 66 abgewandten Auflagefläche 80 des Auflageelements 76 ist dabei eine Feder 82 angeordnet, die zur Übertragung der Klemmkraft dient.

Durch Ausübung einer Klemmkraft mittels des Klemmhebels 64 auf das Auflageelement 76 wird der Haltearm 50 gegen eine Fläche 84 des Kathodenhalters 38 gepreßt, so daß auf diese Weise ein Kraftschluß zwischen dem Haltearm 50 und dem Katho­ denhalter 38 erreicht ist.

Zur Verbesserung des Kraftschlusses weist der Haltearm 50 ein oberes Ende auf, welches im Querschnitt die Form eines gleichseitigen Dreiecks 86 hat. Ein Andrückelement 88 des Auflageelements 76 weist an seinem dem Haltearm 50 zuge­ wandten Ende eine Ausnehmung in der Form eines gleichseitigen Dreiecks auf, die an das obere Ende 86 des Haltearms 50 ange­ paßt ist, so daß das Andrückelement 88 mit dem Haltearm 50 verschiebungssicher gegen laterale Bewegung in Eingriff ge­ bracht werden kann.

Der Klemmhebel 64 weist zu seiner einfachen Handhabung an einem Ende eine Kugelhandhabe 90 auf. Günstigerweise ist der Klemmhebel 64 zur besseren Hebelkraftübertragung mit einer Hebelstange 92 versehen, die eine Knickung aufweist.

Das Auflageelement 76 weist eine Öffnung 93 auf, die parallel zur Achse 70 ist. Durch Einschieben eines Sicherungsstiftes in diese Öffnung 93 läßt sich das Auflageelement 76 gegenüber dem Klemmgehäuse 54 festlegen, um die Klemmwirkung zu sichern.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner 10 umfaßt eine Zuführung 94 für Brennergas (Fig. 1), welche mit einer Brennergasver­ sorgung (in der Fig. nicht gezeigt) verbunden ist. Die An­ kopplung an die Brennergasversorgung erfolgt mittels eines Steckventils (in der Figur nicht gezeigt), so daß der erfin­ dungsgemäße Plasmabrenner 10 durch Lösen der Steckkupplung schnell von der Brennergasversorgung abkoppelbar und wieder ankoppelbar ist. Über die Zuführung 94 wird das Brennergas, bei dem es sich beispielsweise um Argon oder Wasserstoff handelt, in den Brennraum 44 geführt, wo ein Plasma erzeugt wird, das an einem Plasmaaustritt 96 aus dem Plasmabrenner 10 als Plasmastrahl strömt.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner 10 ist mit einer Kühl­ mittelversorgung (in der Figur nicht gezeigt), insbesondere einer Wasserversorgung verbunden. Von dieser führt eine Zu­ führungsleitung 98 für Kühlmittel zu einer Kupplung 100, bei welcher es sich insbesondere um eine Steckkupplung handelt. Durch diese Kupplung 100 wird die Kühlmittelleitung 98 an einen Kühlmitteleingang 102 des Gehäuses 12 des Plasma­ brenners 10 angekoppelt. Die Kupplung 100 umfaßt ein Kegel­ ventil 104, das die Dichtheit der Kupplung sicherstellt, wobei die Kupplung 100 auf einfache und schnelle Weise von dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner 10 abkoppelbar und wieder ankoppelbar ist.

Von dem Kühlmitteleingang 102 des erfindungsgemäßen Plasma­ brenners 10 führt eine Kühlmittelleitung 106 zu einem Ring­ raum 108, welcher in dem Gehäuse 12 gebildet ist. Von dem Ringraum 108 führen Kühlmittelkanäle 110 (Fig. 3b; in der Fig. 1 verdeckt) mit einer Achse 112 parallel zur Mittelachse 14 zu dem Anodenhalter 22.

Bei der in den Fig. 2, 3a bis 3c gezeigten Variante eines Ausführungsbeispieles führen zwei Kühlmittelkanäle 110, welche diametral zueinander angeordnet sind, zu dem Anoden­ halter 22.

Die Kühlmittelkanäle 110 werden in dem Anodenhalter durch Kühlmittelkanäle 114 in Richtung des unteren Ende des erfin­ dungsgemäßen Plasmabrenners 10 fortgesetzt. Dabei sitzen an dem Übergang der Kühlmittelkanäle 110, welche im Gehäuse 12 angeordnet sind, zu den Kühlmittelkanälen 114, welche im Anodenhalter 22 angeordnet sind, Dichtungen 116, die ein Ein­ dringen von Kühlmittel in den Zwischenraum zwischen Gehäuse 12 und Anodenhalter 22 verhindern. An einer Mündung 118 mün­ den die Kühlmittelkanäle 114 in einen Strömungsraum 120, welcher zwischen einer Außenseite der Anode 26 und dem Anodenhalter 22 gebildet ist.

Die Mündungen 118 der Kühlmittelkanäle 114 sind dabei in einem oberen Bereich, welcher dem Plasmaaustritt 96 abgewandt ist, des Anodenhalters 22 angeordnet.

Die Mündungen 118 weisen eine Abschrägung 122 in Richtung des Plasmaaustritts 96 auf. In Umfangsrichtung weisen sie eine Aufweitung 124 auf (Fig. 3a, b).

Zum flüssigkeitsdichten Abschluß des Strömungsraumes 120 gegenüber dem Brennraum 44 und dem Gehäuse 12 zwischen der Anode 26 weist der Anodenhalter eine ringförmige Ausnehmung 126 auf, in der ein O-Ring 128 (Fig. 1) als Dichtung zwischen der Anode 26 und dem Anodenhalter 22 sitzt. Zur Abdichtung gegenüber der Auflage 34 der Anode 26 weist der Anodenhalter 22 eine ringförmige Aussparung 130 auf, in der ein O-Ring 132 sitzt (Fig. 1).

Die Kühlmittelkanäle 114 mit der Achse 112 in dem Anoden­ halter 22 sind als Sacklochbohrungen hergestellt, und die Mündungen 118, welche in den Strömungsraum 120 münden, sind über Fräsbearbeitung hergestellt. Dazu werden die Fräsbear­ beitungswerkzeuge, beispielsweise Frässcheiben, über einen Innenraum 134 des Anodenhalters 22 eingeführt.

Die Kühlmittelkanäle 114 sind also gegenbohrungsfrei herge­ stellt, so daß insbesondere auch keine Hartlötungen zum drucksicheren Verschließen von Gegenbohrungen notwendig sind.

In einem unteren, dem Plasmaaustritt 96 zugewandten Bereich weist der Strömungsraum 120 Auslaßöffnungen 136 auf (Fig. 1, Fig. 3a, Fig. 3b), an die sich im Anodenhalter 22 Strömungs­ kanäle 138 mit einer Achse 140, welche einen Winkel zur Mittelachse 14 von beispielsweise 45° bildet, anschließt (Fig. 3a). Diese Strömungskanäle 138 gehen über in Strömungs­ kanäle 140 mit Achsen parallel zur Mittelachse 14, welche zur Abführung von Kühlmittel aus dem Strömungsraum 120 dienen.

Die Strömungskanäle 140 des Anodenhalters 22 führen in Strömungskanäle 142 im Gehäuse 12 (Fig. 1), wobei der Anoden­ halter 22 an seinem oberen Ende an den Strömungskanälen 140 Ausnehmungen 144 aufweist, in denen O-Ringe 146 sitzen, um eine Dichtigkeit des Gehäuses 12 gegen Eindringen von abge­ führtem Kühlmittel in den Brennraum 44 zu gewährleisten.

Die Strömungskanäle 142 führen durch die Isolierungselemente 36 in den Kathodenhalter 38 und in eine Leitung 148, deren Achse senkrecht zu den Achsen der Strömungskanäle 142 ist. Von der Leitung 148 führt eine Abführungsleitung 150 zu einer Kupplung 152, bei der es sich insbesondere um eine Steck­ kupplung handelt. Von dieser Kupplung 152 führt eine Leitung 154 zu einer Kühlmittelabführung (in der Figur nicht gezeigt) mittels welcher das Kühlmittel abgeführt wird und beispiels­ weise einer Aufbereitung zugeführt wird.

Die Kupplung 152 weist ein Kegelventil 156 auf, welches die Dichtheit der Kupplung 152 gewährleistet.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante eines Ausführungsbei­ spieles weist der Anodenhalter 22 zwei Strömungskanäle 140 auf, welche diametral angeordnet sind.

Die Strömungskanäle 140 und 138 lassen sich durch spanab­ hebende Materialbearbeitung in dem Anodenhalter 22 her­ stellen, ohne daß eine Gegenbohrung vorgesehen werden muß, welche sonst später drucksicher hartverlötet werden müßte. Der Plasmabrenner ist mit Ausnahme der Elektroden aus einem Leichtmetallwerkstoff, beispielsweise aus einer Aluminium- Hartlegierung gefertigt.

Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Plasma­ brennervorrichtung mit einer Schutzschicht insbesondere auf Keramikbasis überzogen ist, die zur Isolation gegen elek­ trische Durchschläge und damit zum Schutz von Bedienungspersonal dient. Die Schichtdicke der Schutzschicht liegt beispielsweise in der Größenordnung von 50 µm.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Zwischen der Kathode 40, bei der es sich beispielsweise um eine Wolframkathode handelt, und der Anode 26, bei der es sich beispielsweise um eine Kupferanode handelt, wird eine Hochspannung angelegt. Dadurch entsteht in dem Brennraum 44 zwischen Kathode und Anode ein Lichtbogen. Das Brennergas, welches über die Zuführung 94 dem Brennraum 44 zugeführt wird, nimmt aus dem Lichtbogen Energie auf, es bildet sich ein Plasma und dieses tritt als Plasmastrahl aus dem Plasma­ austritt 96 aus. Der V-förmige Abschnitt 28 der Anode 26 bewirkt dabei eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Brennergases und des Plasmas, so daß die Anode 26 als Plasma­ düse wirkt.

Bei einer Verwendung in einem Beschichtungssystem wird dem Plasmaaustritt 96 nachgeordnet in den Plasmastrahl ein Zu­ satzwerkstoff 158 beispielsweise in Pulver- oder Stabform zu­ geführt, welches durch den heißen Plasmastrom erhitzt und verdampft wird. Dieser Zusatzwirkstoff 158 wird dann mittels des Strahls mit hoher kinetischer Energie dem Werkstück zuge­ führt.

Die Anode 26 muß mit einem Kühlmittel gekühlt werden, wobei als Kühlmittel insbesondere Wasser einsetzbar ist.

Dazu wird das Kühlmittel mittels der Kupplung 100 von einer Kühlmittelversorgung in den erfindungsgemäßen Plasmabrenner 10 über den Ringraum 108 eingespeist und strömt von dort über die Kühlmittelkanäle 110 und 114 in den zwischen der Anode 26 und dem Anodenhalter 22 gebildeten Strömungsraum über die Mündungen 118 ein. Die Ausbildung der Mündungen 118 mit den Abschrägungen 122 und den Aufweitungen 124 sorgt dafür, daß das Kühlmittel im Strömungsraum 120 die Anode 26 großflächig mit Kühlmittel beaufschlagt und dadurch für eine gute Wärme­ abfuhr von der Anode sorgt.

Das erwärmte Kühlmittel wird über die Strömungskanäle 138, 140, 142 und die Abführungsleitung 150 über die Kupplung 152 abgeführt.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner 10, welcher an dem Halte­ arm 50 gehalten ist, läßt sich über die erfindungsgemäße Klemmvorrichtung 52 schnell auswechseln. Dies kann erforder­ lich sein, wenn der Brenner in seiner Funktion gestört ist, beispielsweise durch Elektrodendurchbrüche. Die Auswechslung muß schnell erfolgen, um eine zu starke Abkühlung des bear­ beiteten Werkstückes zu verhindern. Dazu sind die Kupplungen für die Kühlmittelversorgung und die Kühlmittelabführung sowie die Brennergasversorgung als Steckkupplungen ausge­ bildet, so daß insgesamt ein Plasmabrenneraustausch in kurzer Zeit, insbesondere in einer Zeitspanne, die kleiner als zwei Minuten ist, ermöglicht ist.

Ein Plasmabrenneraustausch kann auch erforderlich sein, wenn ein Werkstück in mehreren Bearbeitungsprozessen bearbeitet wird und dafür jeweils verschiedene Plasmabrennertypen einge­ setzt werden müssen.

Claims (28)

1. Plasmabrenner mit einer fluidgekühlten Anode und einer Kathode, wobei zwischen Kathode und Anode in einem Brennraum ein Lichtbogen erzeugbar ist und ein Brenner­ gas zur Plasmabildung durch den Brennraum führbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (10) zur Beaufschlagung der Anode (26) mit Kühlmittel Kühlmittelkanäle (110, 114, 138, 140, 142) aufweist, welche so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie mittels spanabhebender Materialbearbeitung herstell­ bar und lötstellenfrei sind.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (110, 114, 138,140, 142) so ange­ ordnet und ausgebildet sind, daß sie gegenbohrungsfrei herstellbar sind.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Plasmabrenner (10) aus einem Leicht­ metallwerkstoff gefertigt ist.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (10) aus einer Aluminium-Hart­ legierung gefertigt ist.

5. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (26) als Ringelek­ trode ausgebildet ist.

6. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner einen Anodenhalter (22) umfaßt, in den die Anode (26) einge­ setzt ist.

7. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle Strömungskanäle (140, 142) umfassen, die im wesentlichen parallel zu einer Längsachse (14) der Anode (26) sind.

8. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle Strömungskanäle (138) umfassen, die in einem Winkel zur Längsachse (14) der Anode (26) angeordnet sind.

9. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungskanäle (138, 140, 114) zur Beaufschlagung der Anode (26) mit Kühlmittel in den Anodenhalter (22) integriert sind.

10. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anodenhalter (22) und der Anode (26) ein Strömungsraum (120) zur Beauf­ schlagung der Anode (26) mit Kühlmittel gebildet ist.

11. Plasmabrenner nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungskanäle (140, 114) des Anoden­ halters (22), welche im wesentlichen parallel zu einer Längsachse (14) des Anodenhalters (22) sind, mittels Sacklochbohrungen hergestellt sind.

12. Plasmabrenner nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungskanäle (138) des Anoden­ halters (22), welche in einem Winkel zur Längsachse (14) des Anodenhalters (22) angeordnet sind, von den Strö­ mungskanälen (140), welche parallel zu der Längsachse des Anodenhalters (22) sind, in den Strömungsraum (120) führen.

13. Plasmabrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (138), welche in den Strömungs­ raum führen und/oder Mündungen (118) in den Strömungs­ raum (120), mittels Fräsbearbeitung hergestellt sind.

14. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenhalter (22) Strömungs­ kanäle (114) umfaßt, welche in einen oberen, einem Plasmaaustritt (96) des Plasmabrenners (10) abgewandten Bereich des Strömungsraumes (120) münden und welche der Zuführung von Kühlmittel zur Kühlung der Anode (22) dienen.

15. Plasmabrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenhalter (22) Strömungskanäle (138) umfaßt, welche in einen unteren, dem Plasmaaustritt (96) zuge­ wandten Bereich des Strömungsraumes (120) münden und welche der Abführung von Kühlmittel dienen.

16. Plasmabrenner nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mündungen (118) der Strömungskanäle (114), welche in den oberen Bereich des Strömungsraumes (120) führen, dem unteren Bereich des Strömungsraumes (120) zugewandt eine Abschrägung (122) aufweisen.

17. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (118) der Strömungskanäle, welche in den oberen Bereich des Strömungsraumes (120) führen, in Umfangsrichtung eine Aufweitung (124) aufweisen.

18. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenhalter (22) mindestens zwei Zuführungskanäle für Kühlmittel zu dem Strömungs­ raum (120) umfaßt.

19. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenhalter (22) mindestens zwei Abführungskanäle für Kühlmittel aus dem Strömungs­ raum (120) umfaßt.

20. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (10) an einem Haltearm (50) mittels einer Klemmvorrichtung (52) kraftschlüssig auf wieder lösbare Weise gehalten ist, wobei die Klemmvorrichtung (52) so ausgebildet ist, daß sie eine schnelle Auswechslung des Plasmabrenners (10) am Haltearm (50) ermöglicht.

21. Plasmabrenner nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (52) einen lösbaren Klemmhebel (64) aufweist, welcher den Kraftschluß zwischen Haltearm (50) und Plasmabrenner (10) herstellt.

22. Plasmabrenner nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Haltearm (50) ein Roboterarm ist.

23. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (10) mittels einer Steckkupplung an eine Brennergasversorgung für das zur Plasmabildung verwendete Brennergas an­ koppelbar ist.

24. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (10) mittels einer Steckkupplung (100) an eine Kühlmittelver­ sorgung, insbesondere eine Wasserversorgung, ankoppelbar ist.

25. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (10) mittels einer Steckkupplung (152) an eine Kühlmittelab­ führung ankoppelbar ist.

26. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 23 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steckkupplung (100; 152) ein Kegelventil (104; 156) umfaßt.

27. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, daß die Anode (26) als Plasmadüse ausgebildet ist.

28. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem Beschich­ tungs- oder Aufdampfungssystem.