DE2153006A1

DE2153006A1 - Elektrisches Entladungssystem für oxidierende Gase

Info

Publication number: DE2153006A1
Application number: DE19712153006
Authority: DE
Inventors: Jochen χ 8021 Dresden; Haase Lothar χ 8051 Dresden; Pochert Rudolf χ 8054 Dresden; Roggenbuck Willy χ 8051 Dresden; Wiese Peter Dipl.-Ing. χ 8054 Dresden Böhme
Original assignee: Mansfeld Kombinat Wilhelm Pieck VEB
Current assignee: Mansfeld Kombinat Wilhelm Pieck VEB
Priority date: 1970-10-23
Filing date: 1971-10-25
Publication date: 1972-05-25
Also published as: GB1317050A; FR2113144A5; SU421454A1; NL7018047A; BE763441A; DD87361A1

Description

Anmelder;

VEB Mansfeld Kombinat "Wilhelm Pieck"

DDR - 425 Eisleben
Markt 57

Elektrisches Entladungssystem für oxidierende Gase

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Entladungssystem für oxidierende Gase, vorzugsweise Luft, zur Erzeugung einer Plasmaentladung, insbesondere zum Schmelz schneiden·

Es ist bekannt, elektrische Entladungssysteme für Plasmabrenner mit nicht oxidierenden Gasen wie Argon, Stickstoff, Wasserstoff und ähnlichen Gasen als Arbeitsgas zu betreiben, wobei die Katoden aus Wolfram oder Wolframlegierungen bestehen. Da diese Gase sehr teuer sind, wurden in jüngster Zeit Entladungssysteme entwickelt, die als Arbeitsgas ein oxidierendes Gas, wie Luft, verwenden· Hierbei ist es infolge der ungenügenden Temperaturbeständigkeit des sich bildenden Wolframoxides durch das oxidierende Gas erforderlich, die Katoden zu schützen, da sonst deren Standzeit äußerst gering ist. Das Entladungesystem wird daher so ausgebildet, daß durch entsprechend angeordnete Kanäle eine geringe Menge eines nichtoxldierenden Gases der

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Emissionsfläche der Katode zugeführt wird, um die Katode vor dem oxidierenden .Arbeitsgas zu schützen.

Dieses bekannte Eatladungssystem hat aber den Nachteil, daß der konstruktive Aufbau sehr kompliziert und auf v/endig ist, da zwei Gase gesteuert werden müssen·

Der Brenner ist in seinen Abmessungen sehr groß und teuer und für den praktischen Einsatz nicht robust genug.

Weiterhin ist es bekannt, die Katoden aus einem Material, z.B. Zirkonium, herzustellen, dessen Oxid temperaturbeständig ist und in die aus Kupfer bestehende Katodenfassung einzusetzen· Die Katodenfassung wird von innen durch einen Kühlwasserkanal gekühlt. Um eine hohe Plasmadichte zu erreichen, ist es erforderlich, daß das Arbeitsgas im Düseneinlauf rotiert und den Lichtbogen dadurch einschnürt. Diese Rotation des Arbeitsgases wird z.B. durch einen keramischen Gasführungsring, der entsprechend angeordnete Strömungskanäle aufweist, erzeugt.

Dieses Entladungssystem hat den Nachteil, daß der Abbrand der Katode hoch und die Standzeit dadurch gering ist. Die Ursachen hierfür sind die ungenügende Kühlung der Katode infolge schlechter Kühlwasserführung, bedingt durch die Form der Katodenfassung, sowie die laufende Abtragung der als Emissionsfläche wirkenden, sich auf der Katode bildenden, mechanisch wenig stabilen Oxidschicht durch die Rotation des Arbeitsgaee8· Diese starke Gasrotation ist aber andererseits erforderlich, um eine Bogenstabilisierung zu erreichen und den Bartanhang beim Schneiden au verringern.

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Der Zweck der Erfindung besteht darin, die Mangel des Standes der Technik zu vermeiden und ein leistungsfähiges Entladungssystem zu schaffen, welches wirtschaftlich arbeitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Entladungssystem zu schaffen, welches nur mit oxidierendem Gas, vorzugsweise Luft, arbeitet, dessen Katode eine lange Standzeit besitzt und einfach in der Herstellung ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Entladungssystem, bestehend aus einer Katode mit einer kupfernen Katodenfassung, in der sich der Katodeneinsatz befindet, dadurch gelöst, daß der in der Katodenfassung eingesetzte, vorzugsweise aus Zirkonium bestehende Katodeneinsatz eine konische Form besitzt, galvanisch überzogen ist und in die Katodenfassung durch Reibschweißung so eingesetzt ist, daß er teilweise in das Innere der wassergekühlten Katodenfassung ragt. In das Innere der dünnwandigen Katodenfassung ragt um den Katodeneinsatz teilweise ein dünnwandiger Bund, der so ausgebildet ist, daß das durch ein in der Katodenfassung axial angeordnetes, den Bund und den aus dem Bund ragenden Katodeneinsatz im Abstand umgebendes Kühlrohr mit hoher Geschwindigkeit strömende Kühlwasser den freiliegenden Teil des Katodeneinsatzes und den von dem Bund umgebenen Teil desselben sowie die gesamte Katodenfassung durch intensive Zwangskühlung umspült. Die Katodenfassung weist im Entladungsraum ebenfalls einen Bund auf, um welchen ein an sich bekannter Gasführungsring mit Gaskanälen so

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angeordnet ist, daß das, wie bekannt, vorzugsweise rotierend zugeführte Arbeitsgas in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei ein kleiner Teil des Gases rotierend durch den Spalt zwischen dem Gasführungsring und der Katodenfassung oder durch entsprechend vorgesehene Kanäle im Gasführungsring gelangt und durch den Bund der Katodenfassung von der Emissionsfläche des Katodeneinsatzes ferngehalten wird und der Hauptstrom durch die Gaskanäle in einer dem ersten Teilstrom entgegengesetzten Rotation in den Entladungsraum, Düseneinlauf und Düsenkanal gelangt· Durch die entsprechende Dimensionierung und Anordnung der Kanäle bzw· der Führung der gegeneinander gerichteten Gasströme entsteht während der Entladung vor dem Katodeneinsatz eine annähernd ruhende Zone des Gases, wodurch das Abtragen der eich bildenden Oxidhaut auf der Emissionsfläche vermieden wird· Es ist möglich, den Gasführungsring wegzulassen und im unteren Teil der Katodenfassung Aussparungen vorzusehen, die nach dem Katodeneinsatz führen und so ausgebildet sind, daß ein Teil des rotierend zugeführten Gasstromes umgelenkt wird und dadurch während der Entladung vor dem Katodeneinsatz eine annähernd ruhende Gaszone bildet.

Die Aussparungen können entsprechend dimensionierte, der Gasrotation entgegenwirkende Schlitze oder segmentförmige Ausfräsungen mit Erallflachen sein.

Es ist zweckmäßig, wenn der auf dem Katodeneinsatz galvanisch aufgebrachte überzug aus Kupfer oder Silber besteht· Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Spalt zwischen der Katodenfassung und

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dem Gasführungsring durch Kanäle oder Bohrungen in dem Gasführungsring gebildet wird»

Es ist auch zweckmäßig, wenn der Durchmesser des Katodeneinsatzes so gewählt ist, daß während der Entladung ein ständiges Verschweißen zwischen dem Katodeneinsatz und der ihn umgebenden Randzone erfolgt.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß der Düsenkanal nach außen konisch erweitert wird· Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Zufuhr von Arbeitsgas mit Erlöschen der Entladung gesperrt wird. '

Die technisch-ökonomischen Auswirkungen der Erfindung bestehen darin, daß das Entladungssystem nur mit oxidierendem Gas, wie Luft, arbeitet, was äußerst wirtschaftlich ist· Die Standzeit der Katodeneinsätze ist durch die intensive Zwangskühlung um ein Mehrfaches erhöht und die einfache Konstruktion gestattet es, einen kleinen Plasmabrenner zu realisieren, der im Betrieb sehr robust ist·

An zwei Ausführungsbeispielen soll der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden· In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: ein Entladungssystem eines Plasmabrenners mit Gasführungsring im Halbschnitt ,

Fig· 2: ein Entladungssystem eines Plasmabrenners ohne Gasführungsring im Halbschnitt ,

51g· 3: eine Draufsicht auf den Katodeneinsatz

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Der in Fig. 1 gezeigte Plasmabrenner ist werkstückgepolt, d.h. das Werkstück ist die Anode. Der Brenner dient zum Schmelz schneiden. Die Katode besteht aus dem konischen Katodeneinsatz (1) aus Zirkonium, der galvanisch verkupfert ist und durch Reibschweißung in die Katodenfassung (2) aus Kupfer eingesetzt ist· Die Katodenfassung (2) ist relativ dünnwandig und besitzt außen einen Bund (3) und nach innen einen längeren, dünnwandigen Bund (4) um den Katodeneinsätz (1), der zum Teil aus dem Bund (4) herausragt· In der Kato- ψ denfassung (2) ist axial ein Kühlrohr (5) im Abstand um den Bund (4) angeordnet, damit das durch das Kühlrohr (5) mit hoher Geschwindigkeit strömende Kühlwasser den Katodeneinsatz (1), den Bund (4) und die Wandung der Katodenfassung (2) intensiv kühlt. Um die Kabodenfassung (2) ist in entsprechendem Abstand in bekannter Weise die Düse (6) angeordnet, durch welche das Arbeitsgas strömt· Im Düseneinlauf

(7) ist ein an sich bekannter Gasführungsring

(8) angeordnet, der erfindungsgemäß mit zwei übereinanderliegenden Reihen Gaskanälen (9i 10)

m ausgestattet ist, die das Arbeitsgas in zwei

!Peilströme mit entgegengesetzter Rotationsrichtung aufteilen. Der Gasführungering (8) sitzt zwischen der Katodenfassung (2), den Bund (3) umschließend und der Düse (6), die an dieser Stelle einen entsprechenden Absatz aufweist. Der Hauptgasstrom gelangt durch eine entsprechende Dimensionierung der Gaskanäle (91 10) durch den unteren Gaskanal (10) und bewirkt durch die Rotation die Einschnürung des Hauptlichtbogens (11). Der Teilgasstrom, der durch die oberen Gaskanäle (9) gelangt, bewirkt in

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Verbindung mit dem gegenläufig rotierenden Hauptgasstrom während der Entladung eine ruhende Gaszone vor dem Katodeneinsatz (1), damit die sich auf der Eraissionsf lache desselben bildende Oxidschicht nicht abgetragen wird. Der Düsenkanal (12) ist nach außen konisch erweitert, damit eine größere Gasgeschwindigkeit erzielt wird. Um die Düse (6) ist in bekannter Weise die Düsenkappe (13) angeordnet, wobei zwischen beiden das Kühlwasser strömt. Das Werkstück (14·) bildet die Anode. Zum Schneiden wird in bekannter Weise die a Gaszufuhr eingeschaltet und zwischen dem Katodeneinsatz (1) und der Düse (6) der Pilot bogen gezündet, beim Annähern an das Werkstück (14) der Hauptlichtbogen (11) mit verminderter Leistung eingeleitet und danach auf volle Leistung geschaltet· Beim Beenden des Schneidvorganges wird mit dem Erhöhen der Entladung auch die Zufuhr des Arbeitsgases gesperrt, um ein Abtragen der Oxidschicht auf dem Katodeneinsatz (1) infolge der ohne Entladung gestörten Gasströmung und des erhöhten Gasdurchsatzes zu verhindern.

Fig. 2 und 3 zeigen das gleiche Entladungesystem I

nur ohne den Gasführungsring (8)· Dafür sind in die Katodenfasstmg (2) die Aussparungen (15) eingearbeitet, die bewirken, daß ein Teilstrom des rotierend zugeführten Gases in die Aussparungen (15) gelangt und an den Prallflächen (16) eine der Rotation des Hauptstrcaes teilweise entgegenwirkende Strömung erhält und dadurch vor dem Katodeneinsatz (1) eine ruhende Gaszone entsteht. Die Entladungssysteme können in gleicher Weise auch für Plasmabrenner mit Düsenpolung Anwendung finden.

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Claims

Patentansprüche:

J Elektrisches Entladungssystem für oxidierende Gase, bestehend aus einer Katode mit Katodenfassung aus Kupfer und einem Katodeneinsatz, die in einer Düse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Katodenfassung (2) ein konischer, galvanisch überzogener, durch Reibschweißung eingebrachter Katodeneinsatz (1) zum Teil aus einem gegen die verwendeten Gase beständigen Material, vorzugsweise Zirkonium, angeordnet ist und dabei die Katodenfassung (2) so ausgebildet ist, daß der Katodeneinsatz (1) in das Innere der Katodenfassung (2) ragt und zum Teil von einem nach innen ragenden dünnwandigen Bund (4) umgeben ist, daß in der Katodenfassung (2) axial ein Kühlrohr (5) den Bund (4) im Abstand umgebend zur Kühlung des Katodeneinsatzes (1), des Bundes (4) und der Katodenfassung (2) angeordnet ist, daß die Katodenfassung (2) im Entladungsraum einen Bund (3) besitzt, um welchen ein an sich bekannter Gasführungsring (8) zur Aufteilung des Arbeitsgases in einen Teilstrom und Hauptstrom mit eingearbeiteten Gaskanälen (10), die den Hauptstrom in Rotation versetzen, angeordnet ist und daß der Gasführungsring (8) auf der der Katodenfassung (2) zugewandten Seite weitere Gaskanäle (9) für den Teilstrom besitzt.
2. Elektrisches Entladungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katodenfassung (2) an ihrem unteren Teil bzw. an der Fläche, mit der der Katodeneinsatz (1)

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abschließt;, Aussparungen (15) zur Umlenkung eines Teilgasstromes besitzt und der .Gasführungsring (8) entfällt·
3. Elektrisches Entladungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (15) cter Gasrotation entgegenwirkende Schlitze oder segmentförmige Ausfräsungen mit Prallflächen (16) sind·
4-· Elektrisches Entladungssystem nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Katodeneinsatz (1) einen galvanisch aufgebrach- * ten Überzug aus Kupfer oder Silber besitzt·
5· Elektrisches Entladungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (9) für den Teilstrom durch einen Spalt zwischen der Katodenfassung (2) und dem Gasführungsring (8) gebildet sind·
6· Elektrisches Entladungssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Katodeneinsatzes (1) so gewählt ist, daß während der Entladung ein

ständiges Verschweißen zwischen dem Katoden- %

einsatz (1) und der ihn umgebenen Handzone der Katodenfassung (2) erfolgt·
7· Elektrisches Entladungssystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkanal (12) nach außen konisch erweitert ist,
8. Elektrisches Entladungssystem nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr mit Erlöschen der Entladung gesperrt ist.

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