DE2254504C2

DE2254504C2 - Winkeldüsenelektrode für Plasmastrahlgeneratoren

Info

Publication number: DE2254504C2
Application number: DE2254504A
Authority: DE
Inventors: Eduardo Medford N.Y. Romero; Anthony Joseph Hauppauge N.Y. Rotolico
Original assignee: Metco Inc
Current assignee: Metco Inc
Priority date: 1971-11-12
Filing date: 1972-11-08
Publication date: 1982-04-15
Also published as: FR2159271B1; JPS5541000B2; JPS4868196A; US3707615A; DE2254504A1; CA943636A; GB1382089A; FR2159271A1; IT966034B

Description

Die Erfindung betrifft eine Winkeldüsenelektrode für Plasmastrahlgeneratoren mit einem den Düsenkanal umgebenden Düsenkörper, dessen Wand wenigstens teilweise aus elektrisch leitfähigem Werkstoff besteht, wobei der Düsenkanal einen Eintrittsteil und einen relativ zu dem Eintrittsteil abgewinkelten Austrittsteil aufweist.

Eine derartige Winkeldüsenelektrode ist aus der US-PS 31 83 337 bekannt.

Bei Plasmastrahlgeneratoren, die im allgemeinen als Brenner zum Schneiden oder Schweißen verwendet werden, verläuft der Lichtbogen von einer Elektrode aus durch eine durch einen Luftstrom gekühlte Düse hindurch zum Werkstück. Andere Arten von Plasmastrahlgeneratoren weisen zwei Elektroden auf, zwischen denen der Lichtbogen gezündet wird und von denen die eine die Form einer Düse hat. Der Gasstrom wird in Berührung mit dem Lichtbogen durch die Düse hindurchgeleitet.

Das Plasmaspritzen in kleinen Löchern oder Bohrungen bereitet Schwierigkeiten bezüglich der Zugänglichkeit des zu spritzenden Bereichs. Zum Beschichten von Bereichen, an die der Plasmastrahlgenerator niclit senkrecht angesetzt werden kann, sind Winkeldüsenelektroden der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesen besteht der Düsenkanal aus einem Eintrittsteil und einem hierzu abgewinkelten Austrittsteil, se daß der Lichtbogen in dem Düsenkanal eine Ablenkung erfährt

ίο Der Austrittsteil schließt sich unmittelbar an den Eintrittsteil an, so daß der Düsenkanal e^:ne einzige Knickstelle aufweist. Ein Nachteil der bekannten Winkeldüsenelektroden besteht darin, daß an der Wand des Düsenkanals starke Erosionserscheinungen auftreten, wodurch die Lebensdauer der Winkeldüsenelektroden begrenzt ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Winkeldüsenelektroae der eingangs genannten Art die im Düsenkanal auftetende Erosion zu vermindern und auf diese Weise die Lebensdauer zu verlängert.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwischen dem Eintrittsteil und dem Austrittsteil des Düsenkanals ein Zwischenteil angeordnet ist, wobei die Achse des Zwischenteils mit der Achse des Austrittsteils einen Winkel bildet, der kleiner ist als der Winkel, den die Achse des Austrittsteils mit der Achse des Eintrittsteils bildet, und wobei der Winkel, den die Achse des Zwischenteils mit der Achse des Eintrittsteils bildet, im Bereich zwischen 4° bis 28° liegt.

Du. Besonderheit besteht darin, daß mit dem dreiteiligen Aufbau Eintrittsteil/Zwischenteil/Austrittsteil eine wesentlich günstigere Strahlführung erreicht wird als bei Verwendung einer einzigen Knickstelle im Düsenkanal. Die Erosion der Wandung des Düsenkanals wird wesentlich herabgesetzt und die Lebensdauer der Winkeldüsenelektrode erhöht. Versuche haben ergeben, daß bei sonst gleichem Gesamt-Ablenkungswinkel etwa eine Vervierfachung der Lebensdauer der Winkeldüsenelektrode gegenüber den bekannten Konstruktionen

<o erreicht werden kann.

Die optimale Winkelbeziehung zwischen den Winkeln der Achsen von Eintrittsteil, Zwischenteil und Austrittsteil erhält man, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Sinus des Winkels

"f5 zwischen den Achsen des Austrittsteiles und des Zwischenteiles etwa ⁹/io des Sinus des Winkels zwischen den Achsen des Austrittsteils und des Eintrittsteils beträgt.

Gute Annäherungen an die optimalen Winkelverhältnisse werden erzielt, wenn der Winkel zwischen den Achsen des Austrittsteils und des Eintrittsteils im Bereich zwischen 45° bis 90° liegt, insbesondere, wenn der Winkel zwischen den Achsen des Austrittsteils und des Eintrittsteils bei etwa 65° und der Winkel zwischen den Achsen des Zwischenteils und des Eintrittsteils bei etwa 10° bis 12° liegt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Fm folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die in der Figur dargestellte Winkeldüsenelektrode 10 weist einen Düsenkörper 11 auf, durch den sich ein Düsenkanal aus drei Teilen erstreckt, nämlich einem mit einer Eintrittsöffnung 18 endenden Eintrittsteils 12, das sich konisch zu einem Zwischenteil 14 verjüngt, und einem in einer Austrittsöffnung oder Mündung 19

endenden Austrittsteil 15. Außerdem ist die in der Figur dargestellte Ausführungsform mit röhrenförmigen Blindbohrungen 20 und 21 versehen, durch die ein Kühlmittel, z. B. Wasser, umgewälzt werden kann. Der Düsenkörper 11 ist mit Rippen 16 versehen, die die Befestigung des Düsenkörpers am Plasmastrahlgenerator erleichtern.

Wie die Figur zeigt, verläuft der Zwischenteil 14 der Düse im Winkel zur Achse des Eintrittsteiles und der Austiittsteil 15 im Winkel zum Zwischenteil 14 und in iu einem größeren Winkel zur Achse des Eintrittsteiles 12. Der Winkel, in dem die Achse des Zwischenteils 14 des Düsenkanals von der Achse des Eirtrittsteiles 12 abweicht, ist als A bezeichnet, und der Winkel, in dem die Achse des Austrittsteiles von der Achse des Eintrittsteiles 12 abweicht, ist als B bezeichnet Der Unterschied zwischen den beiden Winkeln ist in der Figur als Δ bezeichnet Es wurde gefunden, daß für optimalen Betrieb eines Plasmaflammspritzgenerators mit der Winkeldüsenelektrode bestimmle Winkel für den Zwischenteil 14 und den Austrittsteii 15 des Düsenkanals festgelegt werden können.

Die optimale Winkelbeziehung zwischen dem Zwischenteil 14 und dem Austrittsteil 15 der Winkeldüsenelektrode wurde empirisch durch die folgende Formel festgelegt:

sin (B-A) s 0,9 sin A

Unter Verwendung dieser empirischen Formel können Winkel B und die entsprechenden Winkel A für den zentralen Zwischenteil 14 des Düsenkanals bestimmt werden.

Zur Erzielung annehmbar dichter normaler Oberzüge muß mit einem Winkel zur Oberfläche des Werkstücks, der gewöhnlich wenigstens 45° beträgt, gespritzt werden. Wenn das Werkstück in einem Winkel von etwa 90° bis 45° angespritzt wird, ergibt sich keine sehr große Änderung der Struktur der aufgetragenen Schicht. Bei Verwendung der Düsenelektrode zum Spritzen in Bohrungen, die so groß sind, daß der richtige Spritzabstand von der Düsenmündung 19 zu dem zu beschichtenden Bereich möglich ist, ist es zweckmäßig, daß der Winkel des Austrittsteiles, d. h. der Winkel B, ungefähr 90° beträgt, so daß der gespritzte Werkstoff senkrecht auftrifft Bei Löchern, bei denen nicht der richtige Spritzabstand möglich ist d.h. bei Löchern mit Durchmessern von weniger als 127 mm, ist ein Winkel B des Austrittsteils von etwa 45° zweckmäßig. Ein für alle Zwecke geeigneter praktischer Winkel B des Austrittsteils wäre etwa 65°.
Aus der vorstehend genannten empirischen Formel

sin (B- a;= 0,9 sin B

werden die Winkel A des Zwischenteiles 14, die den optimalen Winkeln B, nämlich 45° bis 90° entsprechen, mit 5 bis 26° berechnet Für einen bevorzugten Winkel B von 65° beträgt der entsprechende Winkel A etwa 10°.

Es ist zu bemerken, daß die vorstehend genannten Winkel A empirisch mit Hilfe der obengenannten angenäherten Formel bestimmt wurden. Daher sind Abweichungen von plus oder minus 2° als im Rahmen der Erfindung liegend anzusehen. Daher würden optimale Winkel A zwischen etwa 4° und 28° liegen. Ferner wurde festgestellt daß ein bevorzugter Winkel A, der einem Winkel B von 65° entspricht, im Bereich von etwa 10° bis 12° liegen würde.

In der Abbildung ist ferner eine Zuführeinrichtung 30 für Pulver dargestellt, durch die ein durch Hitze schmelzbarer Werkstoff, der verspritzt werden soll, zugeführt wird. Das Pulver tritt aus der Pulveraustrittsöffnung 31 aus und kreuzt den Plasmaflammstrahl, der aus der Mündung 19 der Düsenelektrode austritt. Der zu verspritzende, durch Hitze schmelzbare Werkstoff, z. B. Metallpulver oder Keramikpulver, wird durch die Zuführeinrichtung 30 mit Hilfe eines geringen Trägergasstroms, z. B. eines Inertgases wie Stickstoff, Helium und Argon, zugeführt.

Der Düsenkörper 11 kann aus einem beliebigen elektrisch leitfähigem Werkstoff, z. B. Kupfer, Kupferlegierungen, Messing, Aluminium und Stahl, bestehen. Der Düsenkörper kann auch aus Isolierrnateriaiien, z. B. synthetischen Harzen, wie Polyäthylen, bestehen; in diesem Fall muß jedoch die gesamte Düsenbohrung oder wenigstens ein Teil mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgekleidet oder mit einem elektrisch leitfähigen Einsatz versehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Winkeldüsenelektrode für Plastmastrahlgeneratoren, mit einem den Düsenkanal umgebenden Düsenkörper, dessen Wand wenigstens teilweise aus elektrisch leitfähigem Werkstoff besteht, wobei der Düsenkanal einen Eintrittsteil und einen relativ zu dem Eintrittsteil abgewinkelten Austrittsteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eintrittsteil (12) und dem Austrittsteil (15) des Düsenkanals ein Zwischenteil (14) angeordnet ist, wobei die Achse des Zwischenteils (14) mit der Achse des Austrittsteils (15) einen Winkel (Δ) bildet, der kleiner ist als der Winkel (B), den die Achse des Austrittsteils (15) mit der Achse des Eintrittsteils (12) bildet, und wobei der Winkel (A), den die Achse des Zwischenteils (14) mit der Achse des Eintrittsteils (12) bildet, im Bereich zwischen 4° bis 28° liegt

2. Winkeldüsenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinus des Winkels (Δ) zwischen den Achsen des Austrittsteils (15) und des Zwischenteils (14) etwa ⁹/io des Sinus des Winkels (B) zwischen den Achsen des Austrittsteils (15) und des Eintrittsteils (12) beträgt.

3. Winkeldüsenelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (B) zwischen den Achsen des Austrittsteils (15) und des Eintrittsteils (12) im Bereich zwischen 45° bis 90° liegt.

4. Winkeldüsenelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (B) zwischen den Achsen des Austrittsteils (15) und des Eintrittsteils (12) bei etwa 65° und der Winkel (A) zwischen den Achsen des Zwischenteils (14) und des Eintrittsteils (12) bei etwa 10° bis 12° liegt.

5. Winkeldüsenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Eintrittsteil (12) des Düsenkanals zum Zwischenteil (14) hin konisch verengt.

6. Winkeldüsenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Zuführungseinrichtung (30) für die Zuführung vpn Flammspritzpulver in den aus der Mündung (19) des Düsenkanals austretenden Plasmastrahl.