DE2164270A1

DE2164270A1 - Plasmastrahlgenerator

Info

Publication number: DE2164270A1
Application number: DE19712164270
Authority: DE
Inventors: Haruo Kiyose Tokio; Ichimiya Torao Kanagawa; Tateno (Japan). P
Original assignee: RIKAGAKU K
Current assignee: RIKAGAKU K
Priority date: 1970-12-25
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1972-07-13
Also published as: DE2164270B2; DE2164270C3; CH543711A; GB1346790A; US3770935A; FR2119768A5; DE7148539U

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmastrahlgenerator mit einer Mehrzahl von Plasmastrahlbrenner, die in der Lage sind, unabhängig zu funktionieren als Plasmastrahlbrenner gerader Polarität.

So wird die Brennerwand von den Schäden frei bleiben, die dann entstehen würden, wenn man die Brennerwand als negative Elektrode verwendet, falls der Brenner in der Form der umgekehrten Polarität benutzt wird. Die von diesen Plasmastrahlenbrennern abgegebenen Plasmastrahlen werden sich im inneren Raum einer Führungs-Zusatzeinrichtung treffen, die direkt mit den Brennern verbunden ist. Ein Hauptbogen kann in dem elektrisch leitenden Raum gebildet werden durch Anlegung einer Spannung aus einer Haupt Stromquelle an eine Elektrode jedes Plasmastrahlenbrenners, der jeweils als positive oder negative Elektrode verwendet wird und das gelieferte Gas wird durch den Hauptbogen aufgeheizt und dann durch die Führungseinrichtung entsprechend geleitet.

Ein Plasmastrahlengenerator (im folgenden abgekürzt P. J. G.) wurde oft eingesetzt beim. Schneiden, Schweissen, Beschichten und bei anderen Arbeitsvorgängen. Die Grundstruktur eines P. J.G. (siehe US-Patent 2,806,124) wurde ursprünglich von der Firma Union Carbide Corporation entwickelt und zahlreiche Verbesserungen wurden vorgeschlagen. Bei diesen P. J. Gs. sind die Faktoren zur Determinierung der elektrischen Kenndaten beispielsweise ' folgende: Gasflussmenge, Gaszusammensetzungen, Kalibergrösse, Elektrodenabstand und Anschlusswerte. Es sollte bemerkt werden, dass die Bogenspannung auch von diesen Fakturen abhängt.

Die Wirksamkeit von Heizgas ergibt sich im allgemeinen aus der folgenden Gleichung:

Der Wirkungsgrad von Heizgas (\)

Bogen- χ Strom (I) - Brennerspannung (V) Verbrauch (L_t) (1)

Bogenspannung (V) χ Strom (I) -S-

209829/067 5

vorausgesetzt, dass

Brennerverbrauch (L_t) = K χ Strom (I)

+ Wärmeleitung zur Gehäusewand (L_w) (2)

wobei K eine Konstante ist.

Durch Ersatz der Gleichung (2) durch den entsprechenden Ausdruck der Gleichung (1) kann folgende Gleichung erhalten werden:

K L_w

Der letzte Ausdruck ist wegen seiner Kleinheit zu vernachlässigen und dementsprechend ergibt sich klar, dass der Wirkungsgrad mit der Bogenspannung ansteigen wird.

Eine herkömmliche Methode zur Steigerung der Bogenspannung ist die Steigerung der Turbulenzkomponente des Gasstromes beim Durchlaufen des Brenners.

Ein weiteres Mittel zur Steigerung der Bogenspannung ist die Schaffung abgesetzter Teile, welche elektrisch isoliert sind sowohl von der Anode als auch von der Kathode, und die im Flussweg des Gases liegen. Wenn man sich jedoch auf diese Mittel verlässt, können Bogenspannungen für gegebene Werte von Gasflussmengen und elektrischer Strom nicht über einen kritischen bestimmten Wert hinaus angehoben werden, ohne dass man schädliche Nebenwirkungen erhält, wie z.B. Doppelbögen, Beschädigung der Mundstücks Öffnung und Ableitung oder Unstabilität der Bogensäule. Die bisher vorgeschlagenen P. J. Gs. haben immer noch Fehler wie Kompliziertheit im Aufbau, Betriebs Schwierigkeiten und schmale Bandbreite für elektrische Stromänderungen, Gasfluss änderungen und andere Faktoren.

_ 4 „

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten P. J. Gs., de ν charakteristisch ist für die hohe Spannung und dementsprechend den HX3.rk verbesserten Wirkungsgi*ad des Heizgases, wobei wenig oder kein ·: " ektrodenverbrauch auftritt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuartigen Hochspannungs P. J. Gs., bei dem ein aktives Gas hoher Dichte direkt von der Bogensäule aufgeheizt werden kann. Dieses direkte Aufheizen von konzentriertem Aktivgas mittels der Bogensäule wurde bisher für unmöglich gehalten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Hierin ist:

Fig. 1 eine Ausführung des erfindungsgemässen P. J. Gs. in Querschnittsdarstellung und ein dazugehöriger elektrischer Schaltkreis,

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1, jedoch mit einer anderen Ausführungsform für ein konzentriertes Aktivgas und einen dazugehörigen elektrischen Schaltkreis,

t Fig. 3 - 8 zeigen teilweise im Schnittbild verschiedene Führungszusatzeinrichtungen für den P. J. G. nach Fig. 1,

Fig. 9 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, abgesehen von der Struktur der F ührungs zusatzeinrichtung,

Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform dieser Erfindung mit zwei positiven Plasmastrahlenbrennern und einem negativen Plasmastrahlenbrenner, sowie einem dazugehörigen Schaltkreis; und

20982 9/067 5

Fig. 11 eine Querschnittsdarstellung verschiedener Formen des hellweissen Teils der Plasmaflamme am Auslass.

In Fig. 1 wird ein Primär-P. J. G. nach der Erfindung gezeigt, der besteht aus einem positiven Plasmastrahlenbrenner A, einem negativen Plasmastrahlenbrenner B und einer Führungszusatzeinrichtung C.Der positive Plasmastrahlenbrenner A weist einen Kathodenstab 1 und mindestens zwei Buchsen 2, 3 auf, die zum Kathodenstab konzentrisch angeordnet sind. Die zweite Buchse 2 weist eine Bogenmundstücksöffnung 4 auf. Ein Gas wie Argon, Helium oder andere Edelgase werden in Form der Ströme 7 und 8 von den Einlassen 5 und 6 in den Ringraum eingegeben, der zwischen Kathode und erster Buchse 2 gebildet wird und in den Raum zwischen der ersten Buchse 2 und der zweiten Buchse 3. Der negative Plasmastrahlenbrenner B weist einen Kathodenstab 9 und eine Buchse 11 auf, die konzentrisch zur Kathode angeordnet ist. Die Buchse 11 hat eine Bogenmundstücksöffnung 10. Ein Edelgas 13 wird über den Einlass 12 in den ringförmigen Raum zwischen der Kathode 9 und der Buchse 11 eingegeben.

Die Führungszusatzeinrichtung C weist zwei Einlasse 15 und 16 und einen Auslass 17 auf. Diese Einlasse sind so angeordnet, dass, wenn die Zusatzführungseinrichtung an den positiven und negativen Brennern angeschlossen ist, diese Einlasse so funktionieren, dass die Gasströme von den Brennern zum Schnittpunkt der Mittelachse dieser Brenner geführt werden, wogegen der Auslass so angeordnet ist, dass er so funktioniert, dass es dem resultierenden Gasstrom ermöglicht wird, vom Schnittpunkt nach aussen zu flies s en.

Es sollte festgehalten werden, dass die Führungszusatzeinrichtung mit mindestens einer Buchse verbunden ist ( die Buchse 3 des positiven Plasmastrahlenbrenners in Fig. 1), und zwar über einen Isolator 18 aus dielektrischem Material, und dass ein Gas 20 vom Einlass 19 in den ringförmigen

209879/0675

216427Q

Raum eingeführt wird, der vom Isolierer 18 an seinem Dichtungsteil gebildet wird. Die Kathodenhalter 50, 51 und die Buchsen 2, 3, 11 und die Führungszusatzeinrichtung C werden durch geeignete, nicht gezeigte Mittel, wassergekühlt und sind integriert über Isolatoren 52 aus beispielsweise Bakelit in einer vollständig luftdichten Weise.

Eine Hilfsstromquelle 21 umfasst einen Hochfrequenzoszillator für die Bogenbildung. Das negative Terminal der Stromzuführung 21 ist mit der Kathode 1 des positiven Strahlenbrenners A über einen elektrischen Schalter k 22 verbunden, während das positive Terminal mit der Buchse 2 des Brenners

A verbunden ist.

Entsprechend ist das negative Terminal der Hauptstromquelle 23 mit einem Hochfrequenzoszillator für Bogenbildung mit der Kathode 9 des negativen Plasmastrahlenbrenners B verbunden, und das positive Terminal der Hauptstromquelle ist mit der Buchse 2 des Brenners A verbunden. Die positiven Terminals der Stromquellen 21, 23 sind mit der Buchse 11 über einen Schaler 24 verbunden. Der so mit dem dazugehörigen Schaltkreis verbundene P. J. G. wird folgenderen as sen funktionieren:

. i) Gas 7, 8 wird zum positiven Plasmastrahlenbrenner A geliefert und dann

wird der Hochfrequenzoszillator derHilfsstromquelle 21 durch Schliessen des Schalters 22 eingeschaltet.

Als Ergebnis wird ein Hilfsbogen 25 gebildet und schliesslich wird eine Plasmastrahlenflamme gebildet, die sich von der Mundstücksöffnung für den Bogen 4 bis in die Führungszusatzeinrichtung C erstreckt.

2) Gas 13 wird eingegeben und dann wird der Hochfrequenzoszillator der Hauptstromquelle 23 durch Schliessen des Schalters 24 in Betrieb genommen.

So entsteht ein Bogen 26, und dann wird eine Plasmastrahlenflamme ge~-

20 9829/0675

bildet, welche sich erstreckt von der Bogenmundstücksöffnung 10 bis in die Führungszusatzeinrichtung C.

3) Nachdem die Plasmastrahlenflammen gerader Polarität so erstellt wurden und einander am Schnittpunkt 14 treffen, wird der Schalter 24 geöffnet. Dann wird ein "haarnadelförmiger" Hauptbogen gebildet und die Plasmastrahlenflamme 28 erstreckt sich vom Auslass 17 der Führungszusatzeinrichtung C nach aussen.

Die Zuführung des Gasstroms 20 vom Einlass 19 der Führungseinrichtung C kann begonnen werden vor oder nach der obigen Betätigung 3. Der haarnadel förmige Bogen kann sich weit öffnen und als Ergebnis nähert sich der gekrümmte Schenkel des Bogens einer Seite des Einlasses 15 der Zusatzeinrichtung, wodurch die Wand des Einlasses 15 übermässig aufgeheizt wird. Teils deswegen, und teils wegen der Ioneninjektion in die Einlasswand ist es sehr wahrscheinlich, dass an der Einlasswand ein Kathodenfleck gebildet wird. Das ist der Grund für Doppelbogenbildung. Die Zuführung des Gasstroms 20 ist zunächst nützlich, um eine weite Öffnung des "haarnadelförmigen" Bogens zu vermeiden und ausserdem Ione daran zu hindern, in die Einlasswand zu gelangen, wodurch schliesslich die !Möglichkeit der Doppelbogenbildung ausgeschlossen wird.

Der so betriebene Hochspannungs-P. J. G. ist in der Lage, einen stabilen Bogen zu bilden, dessen Bogenspannung mindestens zweimal so hoch ist wie die Bogenspannung eines bekannten P. J. Gs. bei gegebenem elektrischen Strom und gegebener Gasflussmenge.

Beispiel 1

Die Kenndaten eines erfindungsgemässen Apparats nach Fig. 1 sind:

2 0 9 8 2 9 / 0 8 7 5

Durchmesser der Mundstücksöffnung 4

der Buchse 3 2 mm 0

Durchmesser des Einlasses 15 der
Führungszusatzeinrichtung 3 mm 0

Durchmesser des Einlasses 16 der
Führungszusatzeinrichtung 2 mm 0

Durchmesser des Durchlasses 30 der

Führungseinrichtung 5 mm 0

Distanz vom Schnittpunkt 14 zum Ende

der Buchse 2 18 mm

Abstand vom Schnittpunkt 14 zur

Kathodenspitze 9 27 mm

Gasflussmenge 7 (Argon) 0.2 l/min.

Gasflussmenge 8 (Argon) 0.4 l/min.

Gasflussmenge 13 (Argon) 3. 0 l/min.

Gasflussmenge 20 (Argon) 0.2 l/min.

Bogenstrom 20 A.

Ein möglichst langes Plasm astrahlenflamm ent eil wurde gebildet und die Bogenspannung war nicht weniger als 76 Volt. (Die Bogenspannung im herkömmlichen Plasmastrahlenbrenner beträgt 30 Volt oder weniger bei gleichem Strom und gleicher Flussmenge).

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein P. J. G. nach der Erfindung beschrieben, der in der Lage ist, ein konzentriertes (90 Prozent oder mehr), chemisch aktives Gas aufzuheizen, welches auf das Elektrodenmaterial wirkt, wie z.B. Sauerstoff oder Luft, und zwar erfolgt dies direkt durch eine Bogensäule.

Trotz der ständig steigenden Nachfrage nach dieser Möglichkeit der Direktheizung eines aktiven Gases in den Anwendungsbereichen der chemischen Reaktionen, der Beschichtung, des Schneidens und anderer Arbeitsvorgänge

209829/0675

seit dem Auftreten der P. J. Gs., konnte man bisher die Aufgabe dieser Erfindung nicht lösen.

Bei dem Gerät von Fig. 2 ist der positive Plasmastrahlenbrenner A ähnlich zu dem des Geräts der Fig. 1. Der negative Plasmastrahlenbrenner B hat eine Extra-Buchse 34 mit einer Mundstücksöffnung 34' und Extra-Einlässen 35, 36 für Gas 37, 38, wenn man mit dem negativen Plasmastrahlenbrenner B der Fig. 1 vergleicht. Die Führungszusatzeinrichtung C ist an der Buchse 34 über einen elektrischen Isolator 18 befestigt. Entsprechend dieser Änderung ist der positive Endpunkt der Hauptstromquelle 23 mit den Buchsen 11 und 34 und der Führungszusatzeinrichtung C verbunden.

Dieses Gerät kann folgendermassen betrieben werden:

1) Argon wird in Form eines Gasstroms 7 eingegeben und dann wird der Schalter 22 geschlossen, um den Betrieb des Hochfrequenzoszillators der Hilfsstromquelle 21 einzuleiten, was zum Hilfsbogen 25 führt. Dann wird die Plasmastrahlenflamme aus der Mundstücksöffnung 4 herausgeschleudert und erstreckt sich in den Hauptdurchlass 30. Zusätzlich wird Argon in der Form der Gasströme 8 und 20 eingeführt.

2) Argon wird eingegeben in der Form von Gasströmen 13, 37 und 38 und dann werden die Schalter 24, 24' und 24" geschlossen, damit aus der Hauptstromquelle 23 eine Gleichstromspannung und eine Hochfrequenzspannung an den Brenner B angelegt werden, sowie an die Führungszusatzeinrichtung C, wodurch ein erster, nicht transferierter Bogen 26 entsteht. Dann wird der Schalter 24 geöffnet, wodurch die Bogensäule in den zweiten, nicht transferierten Bogen 26' verwandelt wird. Dann wird der Schalter 24' geöffnet, wodurch wiederum die Bogensäule in einen dritten, nicht transferierten Bogen 26" verwandelt wird. Dann unterbricht man die Gaszuführung 13 zur Kathode und der Schalter 24"

- 10 -

209829/0675

wird geöffnet, wodurch die Hauptbogensäule 27 entsteht.

3) Der Schalter 22 wird zum Löschen des Bogens 25 geöffnet und gleichzeitig wird die Gaszuführung 7 zur Kathode unterbrochen. Schliesslich werden die Gasströme 2 0 und 38 von Argon auf Luft oder Sauerstoff umgeschaltet. So kann ein hochkonzentrierter, aktiver Gasplasmastrahl erhalten werden.

Dieser Betrieb kann vollautomatisch gestaltet werden, d.h. mit einer Ein- und einer Ausstellung, indem man ein Rohrsystem verwendet, das vorjustier· te Nadelventile und Elektromagnetventile aufweist.

Beispiel 2

Die Daten des Geräts nach Fig. 2 sind;

Durchmesser des Einlasses 15 oder 16 für die Zusatzführungseinrichtung C

Durchmesser des Gaskanals der Führungszus atz einrichtung

Durchmesser der Mundstücks öffnung 34'
der Buchse 34

Abstand vom Schnittpunkt 14 zur Endfläche der Buchse 2

Abstand vom Schnittpunkt 14 zur Kathodenspitze 9

Gasflussmenge 8 (Argon)
Gasflussmenge 20 (Sauerstoff)
Gasflussmenge 37 (Argon)

- 11 -

209829/067S

3 mm 5 mm 2 mm

mm

0. 3 l/min. 0. 2 l/min. 0. 3 l/min.

Gasflussmenge 38 (Sauerstoff) 5 l/min.

Bogenspannung 2OA.

Eine Plasmaflamme von 90% Sauerstoffkonzentration wurde erhalten und die Bogenspannung betrug nicht weniger als 115 Volt. Der Ersatz des Sauerstoffs durch Luft bewirkte ein Ansteigen bis auf 13 5 Volt.

Eine Mischung eines höher aktiven Gases kann erfolgen, wenn man die Kühlkapazität der Buchsen erhöht und indem man den Bogenstrom erhöht.

Im Hinblick auf die Richtungsstabilitätsverbesserung der Plasmastrahlenflamme und gleichzeitig im Hinblick auf Steigerung des Wirkungsgrades des Heizgases führten die Erfinder Experimente an einer Reihe von Führungszusatzeinrichtungen folgendermassen aus:

Die Führungszusatzeinrichtung nach Fig. 3 ist die gleiche wie der entsprechende Teil des Gerätes nach Fig. 1, abgesehen von dem ausgekehlten Teil"a" an der Abstromseite, wodurch das Ende des Auslasses 17 ziemlich nahe an der "Haarnadel"-Bοgensäule zu liegen kommt. Bei dieser Modifikation wird die Plasmastrahlenflamme 28 von der Mittelachse 29 des Auslasses 17 entfernt und die Ausrichtung wird mit der Gasflussmenge geändert, bzw. mit dem Stromwert.

Fig. 4 zeigt weitere Änderungen der Führungszusatzeinrichtung der Fig. 3, darin bestehend, dass der Gaskanal um den Schnittpunkt 14 an der Aufstromseite erweitert wird, während man den Schnittpunkt am Auslass gleichhält zu dem Auslass der Füll rungs einrichtung nach Fig. 1 oder 3. In diesem Fall war die Plasmastrahlenflamme 28 auf der Mittelachse 29 des Auslasses 17 angeordnet.

Fig. 5 zeigt eine Führungszusatzeinrichtung entsprechend Fig. 1, ebenso geändert wie bei Fig. 4. Bei dieser Änderung wurde in entsprechender Weise

- 12 -

209829/087 5

die Plasmastrahlenflamme 28 auf der Mittelachse 29 des Auslasses 17 angeordnet und was besser war, die Länge des hellweissen Teils des flachen Flussteils der Plasmastrahlenflamme wurde um ungefähr 50% gesteigert. Das weist daraufhin, dass das Ausstossen der Plasmastrahlenflamme beträchtlich verstärkt wurde. Ein ähnliches Ergebnis wurde erhalten im Hinblick auf die Führungszusatzeinrichtung, deren Gaskanal modifiziert wurde, wie in gestrichelter Linie bei 31 angegeben.

Fig. 6 zeigt eine weitere Modifikation der Führungszusatzeinrichtung nach Fig. 5, darin bestehend, dass der Teil "b", der in gestrichelter Linie an- h gegeben wird, abgenommen wurde. In diesem Fall ist der Walzstrom der

Plasmastrahlenflamme 28 bezüglich der Mittelachse 29 des Auslasses 17 abgelenkt.

Die Führungszusatzeinrichtungen nach den Figuren 3, 4, 5 und 6 wurden für die gleichen Werte der Gasdurchsatzmenge und des Stroms geprüft.

Die Ergebnisse dieser Experimente geben an, dass:

1) die Abnahme des Teils "a" vom Ende der Zusatzeinrichtung nach Fig. 1 nützlich ist, um die Plasmastrahlflamme längs der Mittelachse 29 des

h Führungskanals zu lenken;

2) die Querschnittserweiterung des Führungskanals nach Fig. 4 die Führungseinrichtung die Ausrichtung der Plasmastrahlenflammen vornehmen lässt;

3) die Erweiterung des Führungskanals in der Führungseinrichtung jenseits der ausgekehlten Zone "a" nach Fig. 5 nützlich ist, um den Plasmastrahlflammenverlust zu reduzieren, der sonst auftreten würde, an dem Teil, der dem ausgekehlten Teil "a" in Fig. 3 entspricht;

- 13 -

209879/0675

4) wenn sich die Querschnittserweiterung weit in den Einlass der Führungseinrichtungen entsprechend Fig. 6 erstreckt, wird der Ausrichtungseffekt bei der Plasmaflamme auf der Mittellinie verschwinden.

Aus den Ergebnissen der oben erwähnten Versuche gelangten die Erfinder zu folgenden Schlussfolgerungen:

Die Aufbauten der Führungseinrichtungen nach Fig. 4 und 5 sind nützlich, um den störenden Fluss zu lenken, der sich aus den Gasströmen ergibt, die aus den Einlassen in die Führungseinrichtung gelangen, so dass der resultierende Fluss mit der Mittellinie der Führungszusatzeinrichtung zusammenfällt.

Wie in Fig. 6 zu sehen, ist die Position des Auslasses bezüglich der Bogensäule kritisch und es ist notwendig, dass ein Teil des "haarnadelförmigen" Bogens oder mindestens der scharf gekrümmte Teil der Haarnadel in der · Mündungsöffnung erscheint, und zwar aus folgenden Gründen:

erstens wird der Eintritt eines Teils der Bogensäule in die Mundstücksöffnung bewirken, dass die Temperatur des Gases in derselben ansteigt und dementsprechend wird sich das Gasvolumen erweitern, was schliesslich zu einer Steigerung des Fluss Widerstandes des Mundstücks führt, was nützlich ist, um die Leitfähigkeit des Mundstücks zu steigern. Dann kann der Lenkeffekt der Wand der Öffnung, welcher ungünstig ist, wegen des Hitzeverlustes, wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 zu sehen, reduziert werden, und der Ausstoss der Plasmastrahlflamme wird verbessert werden, denn die "Haarnadel"-Form des Bogens ist ungefähr die Hälfte der Gesamtenergie des Bogens bzw. liegt auf der Mittelachse der Mundstücksöffnung zur Aufheizung des Gases.

Fig. 7 und 8 zeigen weitere Änderungen der Führungszusatzeinrichtung. Die Führungszusatzeinrichtung der Fig. 7 ist insbesondere für Schneiden gedacht. In diesem Beispiel ist der Raum 32, in den die "Haarnadel" einge-

- 14 -

führt wird, grosser als der Auslass 17 der Führungseinrichtung atis gestalt et, welche beispielsweise 1 mm 0 aufweist, denn sonst würde die "Haarnadel" nicht in die Mundstücksöffnung hineinpassen.

Fig. 8 zeigt eine Änderung der Führungszusatzeinrichtung nach Fig. 4. Bei dieser Änderung ist eine blinde Bohrung 33 in der Wand des Führungskanals gegenüber dem Einlass 15 der Führungszusatzeinrichtung angebracht. So wurde die Direktheit des laminaren Flusses des Plasmastrahls, der von der Öffnung 17 mit relativ kleinem Durchmesser ausgestossen wird, wesentlich verbessert.

Wie sich klar aus den Ergebnissen der Experimente an den Modifikationen nach Fig. 3-6 ergibt, kann die Direktheit der Plasmastrahlflamme verbessert werden und gleichzeitig kann der Wirkungsgrad des Heizgases dadurch erhöht werden, dass man den Querschnitt des Führungskanals über die Länge des Kanals jenseits des Schnittpunktes der beiden Mittelachsen des positiven und negativen Plasmastrahlenbrenners zum Auslass hin vergrössert.

Fig. 9 zeigt einen P. J. G., welcher äquivalent ist zur Ausführungsform nach Fig. 2, jedoch modifiziert durch Ersatz der Führungszusatzeinrichtung der Fig. 4 oder 5 durch den entsprechenden Teil des Apparats nach Fig. 2. Diese Modifikation wurde mit dem Apparat nach Fig. 2 mit folgenden Ergebnissen verglichen:

Beispiel 3

Betriebsbedingungen:

Gasstrom 8 Argon 0. 3 l/min.

Gasstrom 37 Argon 0. 3 l/min. Gasstrom 7 keiner

Gasstrom 13 keiner

Gasstrom 38 Sauerstoff 4 l/min.

- 15 -

2098?9 /067S

■" JL O ~

Gasstrom 20 Sauerstoff 1 l/min.

Bogenspannung 95 V

Bogenstrom 50 A.

P. J. G. nach Fig. 2

Durchmesser d , d der Einlasse 15, 16 d , d = 3.0 mm

Durchmesser d des Auslasses 17 d = 5. 0 mm 0

Abstand , vom Schnittpunkt 14 zum

Auslass 17 -l = 8,5 mm

Die Plasmastrahlflamme erstreckte sich über 2 5 bis 30 cm und sie wich ungefähr 2 Grad von der Mittelachse 2 9 ab.

P. J.G. nach Fig. 9

Durchmesser d , d der Einlasse 15, 16 d d = 3.0 mm

X ώ 1.Lt

Durchmesser d des Auslasses d = 5.0 mm 0

Durchmesser d des Führungskanals d = 7.0 mm 0

Abstand -. \ vom Schnittpunkt 14 zum Auslass 17 '- , = 4. 5 mm

''2 = 4.0 mm

Die Plasmastrahlflamme erstreckte sich über 3 5 bis 50 cm auf der Zentralachse 29.

Der Mündungsteil wurde in die Zwei-Stufenform nach Fig. 7 umgebaut.

Die folgenden Bogenspannungen wurden bei verschiedenen Durchmessern d und d des Einlasses 16 und des Auslasses 17 erhalten und die Plasmastrahlenflammen-Abgabe, welche für Schneiden geeignet war, wurde wesentlich verbessert.

- 16 -

209879/flfi 7-5.

3. O mm J3 3. O mm 0 2. O mm 0 1.5 mm 0 2. O mm f 1.0 mm 0

Bogenspannung Druck in dem Führungs·

zusatz (Eichdruck) V V V

0.1 kg/cm 1.0 kg/cm².

Beispiel 4

Betriebsbedingungen Gasstrom 38
Gasstrom 20

Sauerstoff 12 l/min. Sauerstoff 3 l/min.

(Die Flussmengen der anderen Gasströme entsprachen denen des Beispiels 3.)

Bogenspannung
Bogenstrom

130 V 50 A

P. J. G. nach Fig. 2

Die Abmessungen des Apparats waren identisch zu denen des Beispiels 3. Der glühende Teil der Flamme bestand aus einem gestörten Fluss von ungefähr 2 cm Länge und die Plasmastrahlflamme wich ungefähr 3 Grad oder mehr von der Mittelachse ab.

P. J. G. nach Fig. 9

Die besonderen Abmessungen des Gerätes waren identisch mit denen nach Beispiel 3. Der glühende Teil der Flamme bestand aus einem gestörtem Strom von ungefähr 3, 5 cm Länge und die Plasmastrahlflamme war gerade gerichtet.

Die Abweichung und die Länge der Plasmastrahlflamme ist ein direktes Mass für den Wirkungsgrad des Heizgrades bei einer bestimmten Betriebs·

- 17 209879/Π67Π

bedingung. Im Hinblick darauf ist es evident, dass die Wirkung des speziellen Aufbaus der Führungszusatzeinrichtung nach Fig. 4 oder 5 bemerkenswert ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Heizgases. Zusätzlich erleichtert die Möglichkeit der Änderung der Flussmengen des Gasstromes 20 innerhalb eines breiten Fächers die Bedienung des Geräts.

Wie aus dem obigen entnommen werden kann, hat der erfindungsgemässe P. J. G. eine einzige Mundstücköffnung und mindestestens eine Anodenelektrode, die wesentlich sich unterscheidet von einem herkömmlichen P. J. G., der die Innenwand der M im dungs öffnung als Anodenelektrode verwendet.

Die Vorteile aus dem Einsatz einer Mehrzahl von positiven Plasmabrennern sind:

zunächst natürlich kann die Anodeninputleistung gleichmässig auf so viele Teile verteilt werden, wie positive Plasmastrahlenbrenner vorhanden sind, womit man die Beschädigung der Mün dungs öffnung aufgrund lokaler Hitzekonzentration vermeidet, wie dies bisher der Fall war. Ausserdem kann der ungünstige Effekt des Gaseinspritzens über den Einlass 15 auf den Hauptbogen wesentlich reduziert werden.

Fig. 10 zeigt einen P. J.G. mit einem negativen Plasmastrahlbrenner und zwei positiven Plasmastrahlbrennern, die symmetrisch zum negativen Brenner angeordnet sind. Dieses Gerät entspricht dem nach Fig. 1, abgesehen von der Führungszusatzeinrichtung. Ein einzelner Schalter 24 ist zur Schaffung der Plasmastrahlflamme in jedem Negativbrenner vorgesehen. Obwohl zwei HilfsStromquellen 21 in der Zeichnung gezeigt werden, kann eine einzige Stromzuführung verwendet werden, indem man die relevante elektrische Verbindung in geeigneter Weise ändert, denn die Vorrichtung ist nicht gleichzeitig auch für die positiven Strahlenbrenner zu verwenden.

- 18 -

2 0 9 8 ? 9 / Π fi 7 S

In Betrieb wird der Hauptbogen durch den positiven Plasmastrahlenbrenner erzeugt, mit dem der Schalter 24 verbunden ist (rechter Brenner in der Zeichnung), und zwar in der gleichen Weise wie bei dem Apparat nach Fig. 1, Wenn der Hauptbogen so hergestellt wurde, wird ein Hilfsbogen durch den anderen positiven Plasmastrahlbrenner hergestellt (linker Brenner in der Zeichnung), und dann wird darin ein Hauptbogen hergestellt. Nach dem Zustandekommen des Hauptbogens auf der linken Seite wird der Schalter 22 geöffnet und dann wird die Zuführung des Gasstroms 7 unterbrochen. Die Flussmengen an Gas 7 und 8, wie z.B. Argon, werden geeignet gewählt, beispielsweise 0.2 l/min. So wird der Hauptbogen 27 schliesslich endgültig fc hergestellt.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel des Gerätes betrug der gesamte elektrische Strom 40 A und die Bogenspannung betrug 73 V.

Fig. 11 zeigt die Formen der Querschnitte der glühenden Kerne der Plasmast rahlf lamm en, die vom Hauptkanal 30 abgegeben werden, wenn Gas entweder von rechts oder links von positiven Plasmastrahlenbrennern abgegeben wird, und zwar in einem gleichen Druck, der sich am Mittelpunkt des Hauptkanals ausgleicht. In der Zeichnung ist der äussere Kreis 39 die Wand des Hauptkanals der Führungszusatzeinrichtung und die Richtung der Gaszuführung über den positiven Plasmastrahlenbrenner wird vom Pfeil angegeben. Der schraffierte Teil 40 ist der Querschnitt des glühenden Teils oder Mittelpunkts der Plasmastrahlflamme im Auslass 17.

Fig. 11-1 bezieht sich auf einen einzigen positiven Plasmastrahlenbrenner und zeigt die exzentrische Lage des glühenden Kerns, dessen Querschnitt elliptisch ist. Dieses Phänomen wird bei der Plasmastrahlenflamme eines konventionellen Brenners beobachtet.

Fig. 11-11 bezieht sich auf den Einsatz von zwei positiven Plasmastrahlenbrennern und zeigt die zentrierte Lage des glühenden Kerns 40, dessen

- 19 -

2 0 9 S ? 9 / Π β 7 S

Querschnitt eine Ellipse ist.

Fig. 11-111 bezieht sich auf die Winkelanordnung dreier positiver Plasmastrahlenbrenner jeweils 120 voneinander entfernt und zeigt die zentrierte Lage des glühenden Kerns 40, dessen Querschnitt fast kreisförmig ist.

Fig. 11/IY bezieht sich auf die Winkelanordnung von vier positiven Plasmastrahlenbrennern in 90 Grad Abstand und zeigt die zentrierte Lage des glühenden Kerns, dessen Querschnitt sich einem Kreis nähert.

Die Anordnung des glühenden Kerns im genauen Mittelpunkt der Mündungsöffnung nach Fig. 11-11, III und IV bedeutet die Ausrichtung des Plasmastrahls in der Mittelachse des Hauptkanals, wodurch der thermische Verlust reduziert wird, der verursacht würde, wenn die Plasmastrahlenflamme die Kanalwand berühren würde. Das Zentrieren der Plasmastrahlenflamme über eine Mehrzahl von positiven Plasmastrahlenbrennern ist zur \f erbess ε rung des Wirkungsgrades des Geräts günstig.

Avis Gründen der \^rereinfachung wurde die Erfindung bisher unter Bezugnahme auf nichttransferierte P. J. Gs. mit gerader Polarität beschrieben, es sollte jedoch bemerkt werden, dass die P. J. G. s. mit umgekehrter Polarität nach dieser Erfindung auch nützlich sind. Man geht allgemein davon aus, dass die Verwendung von Sauerstoff oder Luft in den transferierten P. J. Gs. die Schneidgeschwindigkeit bei Stahl oder Aluminiumblättern erhöhen wird. Um jedoch die Beschädigung des Elektrodenteils eines konventionellen P.,T.Gs. zu vermeiden (spezifischer gesagt, um eine Lebensdauer gleich dem Gerät zu erzielen, bei dem Argon zum Einsatz kommt), ist es notwendig, ein Edelgas in der Form eines nichttransferierten Betriebs einzusetzen und dann Sauerstoff oder Luft hinzuzugeben als Ersatz für das Edelgas nach dem Übergang des Bogens zum Werkstück. Dieser Vorgang ist zu umständlich und macht das Gerät praktisch nutzlos. Dieser Fehler wird erfindungsgemäss überwunden durch Schaffung eines ersten, nichttransferierten Plasmastrahls

- 20 -

mit Hilfe einer Hilfsstromquelle und dann durch einen transferierten Plasmastrahl zwischen dem Kathodenstab und dem Werkstück mit Hilfe der Hauptstromquelle.,

Bisher wurde die Erfindung beschrieben als Einsatz von Plasmastrahlen mit grader Polarität, es ist jedoch für den Fachmann ersichtlich, dass ein P. J. G. nach der Erfindung auch umgekehrte Polarität verwenden kann. Mit anderen Worten wird der erfindungsgemässe P. J. G. unabhängig von der Art des Plasmastrahls nicht beschädigt. Die hier offenbarten Ausführungsformen haben die Achse des positiven Plasmastrahlenbrenners und die Achse des negativen Plasmastrahlenbrenners in Diagonalanordnung. Beim Schneiden eines Werkstücks aus dielektrischem Material, wie z.B. Beton, bei nichttransferiertem Betrieb oder beim Schneiden eines leitenden Materials, wie z.B. Aluminium, Eisen und anderen Metallen bei transferiertem Betrieb, wurden zwei Plasmastrahlenbrenner in einem Winkelabstand von 60 angeordnet, womit man zunächst ermöglichte, dass der Haarnadelbogen sich dem Auslass näherte, womit die thermische Energie am Werkstück erhöht wurde und wobei zweitens der Auslass für das Werkstück zugänglich wurde, denn die Plasmastrahleneinheiten bewirken keine oder nur wenig Behinderung am Werkstück. Natürlich kann der Winkel, mit dem die beiden Plasmastrahleneinheiten angeordnet werden, willkürlich den Erfordernissen angepasst werden.

Der P. J. G. wurde in zahlreichen industriellen Bereichen angewandt, seit dem er in der Fachwelt bekannt wurde und die Erfindung erweitert den Anwendungsbereich im Hinblick auf die Bandbreiten, die sich aus wirtschaftlichen und technischen Betrachtungsweisen ergeben.

209829/067 5

Claims

18.596/97

Patentansprüche:

IJ Ein Plasmastrahlengenerator, dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist mindestens zwei Plasmastrahlenbrenner, die in der Lage sind, als positiver Brenner und als negativer Brenner zu funktionieren, eine Führungszusatzeinrichtung, die mit den genannten Brennern fest verbunden ist und von mindestens einem der genannten Brenner dielektrisch getrennt ist und Mittel zur Zuführung von Gas in den Innenraum an der Verbindung zwischen dem genannten Führungszusatzgerät und dem genannten einen Brenner.

2. Ein Plasmastrahlengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Brenner einen Kathodenstab und mindestens zwei Buchsen aufweist, und dadurch, dass der negative Brenner einen Kathodenstab und eine Buchse aufweist, wobei die Führungszusatzeinrichtung einen Kanal., mindestens zwei Einlasse und einen Auslass aufweist, wobei der genannte Kanal sich am Auslass öffnet und die Mundstücksöffnung des negativen Brenners über einen der Einlasse und die Mundstücksöffnungen der positiven Brenner über die anderen Einlasse verbindet.

3. Ein Plasmastrahlengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Zusatzführungseinrichtung dielektrisch von jedem einzelnen Brenner isoliert ist.

4. Plasmastrahlengenerator nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brenner einen Kathodenstab und mindestens zwei Buchsen aufweist.

5. Ein Plasmastrahlengenerator nach Anspruch 2, dadurch ge-

209829/067 5

216427Q

kennzeichnet, dass der genannte Kanal jenseits der Kreuzung der Mittelachsen der Brenner auf der Abstromseite einen reduzierten Querschnitt aufweist.

209829/067^