DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWAID DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DlPL-CHEM. ALEK VON KREISLER
DlPL-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-ING. SELTING
KÖLN 1, DEICHMANNHAUS
22. August 1972
Mr/Ax
Sg/rö
Metco Inc., 1101 Prospect Avenue,
Westbury, New vork 11590 / U.S.A.
Steuereinrichtung für ein Plasma-Flammspritzgerät
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung des elektrischen Systems eines Plasmagas-Flammspritzverfahrens,
insbesondere Mittel, die gewährleisten, daß beim Durchleiten eines sekundären Gases durch einen in einer
Flammspritzpistole brennenden Lichtbogen, wobei ein Spannungsanstieg im Strom des den Lichtbogen enthaltenden
Stromkreises verursacht wird, der Strom in geeigneter Weise geregelt wird. Durch die Erfindung soll erreicht
werden, daß die Zündung des Lichtbogens durch > Drücken eines einzigen Schalters erfolgt. Die Erfindung
umfaßt ferner einen geschlossenen Regelkreis zur Bestimmung der Spannungsänderungen in einem Stromkreis,
der einen Lichtbogen zur Verwendung beim Plasmaflammspritzen enthält, und zur Kompensationsregelung des
Stroms bei einer bestimmten Plasmagas-Durchflußmenge und
—zusammensetzung zur Aufrechterhaltung einer gewünschten
Abstimmung zwischen Strom und Durchfluß des sekundären Plasmagases. Die Erfindung ist ferner auf verschiedene
automatische Mittel gerichtet, die eine längere Lebensdauer der Elektrode und Düse gewährleisten und eine über-309881/0748
mäßige Verengung des eingeschlossenen Lichtbogens in der Düse der Flammspritzpistole oder deren zugehörigen Teile
verhindern.
Das Plasmaflammspritzen ist ein spezielles Verfahren, "bei
dem wenigstens ein Gas durch einen Lichtbogen geführt und hierdurch in einen Plasmazustand überführt wird. Dieser
Plasmazustand entspricht einem höheren Energiezustand als
der Gaszustand. Es hat sich gezeigt,-daß da3 Gas bei diesem höheren Energiezustand Eigenschaften annimmt, die es
zu einem ausgezeichneten Heizmedium machen. Beispielsweise wird in der USA-Patentschrift 2 960 594 beschrieben, daß
extrem hohe Temperaturen in der Größenordnung von 47OO°C und höher erzeugt werden können, wenn ein Gasgemisch durch
eine Düse geführt wird, in der ein Lichtbogen brennt. Der Lichtbogen wird zwischen zwei entgegengesetzt polarisierten
Elektroden unter Verwendung eines Stroms gebildet, der im allgemeinen im Bereich von 155 bis 1000 A liegt.
Das Gas kann in einem solchen Maße erhitzt werden, daß ein Pulver, das an der Düse der Spritzpistole zugeführt
wird, geschmolzen oder durch Hitze erweicht wird und in diesem Zustand auf ein verhältnismäßig kühles Werkstück
gespritzt werden kann. Der energiereiche Plasmazustand des Gases bewirkt, daß die Teilchen eine erhöhte Temperatur
annehmen, wodurch sie leicht am Werkstück haften, das eine völlig andere Temperatur hat. Für das Plasmagas-Flammspritzen
können zahlreiche Gase verwendet werden. Geeignet ist insbesondere Stickstoff, der sich als ausge2eichnetes
Primärgas erwies.
Bei der Entwicklung der vorstehend beschriebenen Flammspritztechnik
wurde festgestellt, daß zusätzliche Gase, die als Sekundärgase bezeichnet werden, zu äußerst erwünschten
Eigenschaften führen. Beispielsweise verbessert eine geringe Wasserstoffmenge, die einem Stickstoff- oder
Argonstrom zugesetzt wirdi ganz erheblich die Temperatur
des Plasmagases. Als weitere typische Sekundärgase sind
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_ 3 —
zu nennen: Helium, das Argon oder N2 zugesetzt wird,
Argon, das Np zugesetzt wird und Stickstoff, der Argon
zugesetzt wird. Die Einführung des V/asserstoffs durch den
in der Düse der Spritzpistole brennenden Lichtbogen erhöht jedoch die Spannung im Stromkreis, der den
Lichtbogen enthält, außergewöhnlich stark. Wenn dieser Spannungsanstieg unkondensiert bleibt, verursacht er eine
wesentliche Schwächung des Stromkreises.
Die Flammspritzdüsen sind so konstruiert, daß der Lichtbogen über einen verhältnismäßig weiten Bereich in der
Düse gelegt wird. Probleme können jedoch während des Anfahrens entstehen, bevor die Plasmapistole ihre optimale
Temperatur, optimale Zusammensetzung der Gasströmung und optimale Strömungsgeschwindigkeit sowie optimale Lichtbogenverteilung
erreicht hat. Im einzelnen wurde festgestellt, daß eine Hülle aus einem plasmabildenden Gas um
den Lichtbogen den Außenumfang des Lichtbogens zu kühlen pflegt. Hierdurch wird wiederum das Ausmaß der Ionisierung
der plasmabildenden Gase verringert. Diese Verringerung verursacht einen Anstieg des elektrischen 'Widerstandes
des Außen umfang s, Dies hat wiederum zur Folge,' daß mehx* Strom durch den Weg mit dem geringeren Widerstand
am Kern des Lichtbogens fließt, wodurch der Lichtbogen eingeengt und seine Temperatur erhöht wird. Die
Einengung oder Einschnürung des Lichtbogens erfolgt progressiv und ist am inneren Ende der Düse größer· Durch
Einstellung des Verhältnisses der Gasströmung zum Stromfluß
kann der Lichtbogen veranlasst werden, sich auf seinem Weg die Düsenbohrung hinab allmählich auszubreiten.
Hierdurch ist es möglich, den Lichtbogen im Kontakt mit jedem gewünschten Punkt in der Bohrung auszubreiten.
Durch geeignete Einstellung der Gasströmung und des dem Lichtbogen zugeführten Stroms ist es sogar möglich, einen
Lichtbogen außerhalb der Düse in Richtung zum Werkstück auszubilden.
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Es leuchtet somit ein, daß sich durch übermäßige Einengung .oder Einschnürung des Lichtbogens Probleme ergeben können.
Insbesondere kann die Düse beschädigt werden, wenn der Lichtbogen zu stark eingeengt und eingeschnürt und konzentriert
wird. D.ä die Arbeitstemperaturen und die Spannung im Stromkreis des Lichtbogens extrem hoch sind,
kann eine solche Schädigung in verhältnismäßig kurzer •Zeit eintreten. Es hat sich gezeigt, daß es selbst erfahrenen
Bedienungsmännern von Plasraagas-Flaramspritzanlagen,
die von Hand betätigt werden, nicht immer möglich ist, die Gasströmung auf den Strom oder den Widerstand
im Stromkreis des Lichtbogens so abzustimmen, daß das vorstehend dargelegte Problem vermieden wird. Äußerst erwünscht
ist somit eine Möglichkeit, einen gewünschten breiten Lichtbogen automatisch zu zünden, ohne daß sich
Probleme ergeben, die zu Verengung oder Einschnürung des Lichtbogens und Beschädigung der Düse führen könnten.
Ursprünglich wurde angenommen, daß eine Anfahrmethode
geeignet ist, bei der der Bogenstrom auf 300 A eingestellt wird. Ein Sekundärgas, das normalerweise einen Spannungsanstieg
(Erniedrigung des Stroms) verursachen würde, könnte dann durch ein Nadelventil zugeführt werden. Die
Spannung könnte geregelt werden, indem man das Sekundärgas eintreten läßt und auf die volle DurchfluSmenge
"bringt, wodurch sichergestellt würde, daß die Stromstärke nicht um mehr als 25 A für jeden Anstieg der Sekundärgasströmung
um 5 Punkte fällt. Man ließ die Stromstärke nicht unter 250 A fallen. Dies erforderte jedoch eine
gewisse manuelle Fertigkeit und Geschicklichkeit, da der Bogenstrom mit einer Hand reguliert werden mußte, während
die Steigerung (oder Verminderung) der Durchflußmenge des Sekundärgases mit der anderen Hand vorgenommen wurde.
Eine solche Methode erforderte eine gewisse Erfahrung und Geschicklichkeit, über die Fachleute des FlammspritζVerfahrens
selbst, insbesondere Bedienungsleute, die mit dem Plasmagas-Flammspritzverfahren nicht ganz vertraut sind,
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nicht immer verfügen.
Sehr erwünscht ist daher ein automatisches System, das den Stromanstieg und den Sekundärgasdurchfluß so regelt,
daß in der Plasmagas-Flammspritzdüse optimale Bedingungen aufrecht erhalten werden. Zu diesen optimalen Bedingungen
gehört eine solche Abstimmung der Spannung und des Stroms auf den Sekundärgasfluß, daß eine Einengung oder Einschnürung
des Lichtbogens nicht stattfindet. Erwünscht ist ferner ein System, das es ermöglicht, dies durch
Verwendung von Zeitschaltvorrichtungen zu erreichen, die unabhängig mit einem Sekundärgas-Mengenregler und einem
Regler in elektrischer Verbindung mit der Bogenstroraregelung zusammenwirken, wodurch ein Anstieg beider Werte
zeitabhängig erfolgt und die volle Durchflußmenge des Sekundärgases sich innerhalb eines.engen Zeitfensters
auf der Basis der Einstellung des endgültigen Stroms durch den Lichtbogen einstellt.
Ein weiteres Problem ergab sich bei der Entwicklung geeigneter automatischer Systeme für die elektrische
Steuerung der Zündung und des Abstellvorgangs. Aus irgendeinem unerklärlichen Grund zündet die Stromzuführung
zu einem System gelegentlich nicht den Lichtbogen. Da ein automatisches System von der Ausbildung eines
solchen Lichtbogens abhängt, ergaben" sich Probleme. Während der Bedienungsmann bei Handbetrieb nur einen Schalter
ein zweites oder drittes Mal umlegen mußte, um den Lichtbogen zu zünden, ist es beim automatischen System eine
unerlässliche Voraussetzung, daß ein Lichtbogen gezündet wird, wenn ein Startschalter betätigt wird. Erwünscht
ist somit ein System, das die Lichtbogenzündung während des Einschaltens gewährleistet.
Erwünscht für Plasmaspritzanlagen ist ferner ein vollständig geschlossenes automatisches elektrisches Regelsystem,
das in der Lage ist, einen Anstieg oder einen Abfall des Bog ens t Eoms «Päej? der Sekundärgasströmung als
Reaktion auf elektrische Bedingungen zu regeln, die innerhalb der Düse selbst bestimmt werden..
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Regelung des Bogenstroms in einer Plasmagas-Flammspritzdüse,
die mit einem elektrischen Str-omkreis versehen ist, der Elektroden enthält, durch die ein Lichtbogen ausgebildet
wird» Bei diesem Verfahren wird eine Erhöhung der zur Düse einer Plasmaflammspritzpistole. strömenaen Sekundärgasmenge geregelt, während die Erhöhung des Stroms durch
den Stromkreis, der den lichtbogen enthält, geregelt wird, wobei die Regelung des Stroms und der Sekundärgasmenge
durch Ansprechen auf eine vorbestimmte Zeit für die Einstellung beider Endwerte im Verhältnis zueinander erreicht
wird.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Regelung des Stroms gerichtet, der
durch den zwischen zwei Elektroden in einem Stromkreis gebildeten und in der Düse einer Plasmaflammspritzpistole
brennenden Lichtbogen fließt. Bei diesem Verfahren wird in diesem Stromkreis ein Anstieg oder ein Abfall des .
Stroms oder der Spannung von einem vorbestimmten Wert bei einer feststehenden Plasmagaszusammensetzung und
einem feststehenden Durchsatz des Plasmagases bestimmt und der Strom in dem den Lichtbogen enthaltenden Stromkreis
kompensierend so geregelt wird, daß die Spannung bei dem vorbestimmten Wert gehalten wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren, bei dem die Plasmaflammspritzparameter, insbesondere die
durchströmende Sekundärgasmenge bei einer vorbestimmten Spannung und einem vorbestimmten Strom durch den den
Lichtbogen enthaltenden Stromkreis so geregelt werden, daß die Spannung und dementsprechend der Strom bei einem
vorbestimmten Wert gehalten werden. Der hier gebrauchte Ausdruck "vorbestimmt11 bezeichnet einen ganz bestimmten
Wert zu einer bestimmten Zeit, der über einen Zeitraum 309881/Ό74*
nicht unbedingt konstant ist.
Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zur Gewährleistung der Bildung eines Lichtbogens in dem in der
Düse einer Plasmaflammspritzpistole angeordneten Stromkreis, indem ein Hochfrequenzs.trom in Impulse von 100 bis
500 Millisekunden zerhackt wird, bis ein Lichtbogen zwischen Elektroden und Düse gebildet worden ist. Die
Bildung des Lichtbogens hängt von der Art der durch den Bereich von Düse und Elektroden strömenden Gase ab. Im
allgemeinen wird der Lichtbogen in einer Zeit von 0,5 bis 5 Sekunden nach Beginn der Impulsbildung gezündet.
Die Erfindung ist ferner auf ein der Erreichung der vorstehend genannten Zwecke dienendes automatisches Regelsystem
gerichtet, das eine Zeitschaltvorrichtung in Kombination mit einem Sekundärgasmengenregler und eine
zweite Zeitschaltvorrichtung in Kombination mit einem Stromsteigerungsregler umfaßt, wobei die Zeitschaltvorrichtungen
in eine solche Wechselbeziehung gebracht sind, daß eine endgültige Durchflußmenge erreicht wird, wenn
der Strom auf seinen Endwert eingestellt ist.
Die Erfindung umfaßt ferner eine direkte Rückkopplungs- und Spannungsregelung zur Bestimmung des Stroms, der
durch den in einer Plasmaflammspritzpistole brennenden Lichtbogen fließt, und elektrisch damit verbundene Glieder zum Ausgleich von Stromschwankungen durch Regelung
des im Stromkreis fließenden Stroms. Als Alternative kann ein Regler vorgesehen werden, der bei einem bestimmten
Strom die Durchflußrate eines Sekundärgases in Abhängigkeit von Spannungsschwankungen im Lichtbogen regelt, der
in der Düse der Plasmaflammspritzpistole brennt.
Die Erfindung wird nachstehend ausführlich im Zusammenhang mit den Abbildungen beschrieben.
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Fig.1 ist ein Schema, das die gewünschte Zeitschaltfolge
für den automatischen Betrieb einer Plasmaflammspritzanlage mit Argon als Primärgas darstellt.
Fig.2 ist ein ähnliches Schema wie Fig,1, jedoch für die
Verwendung von Stickstoff als .Primärgas.
Pig»3 ist ein elektrisches Schaltschema der Gesamtschaltung
einer Plasmaflammspritzanlage. Hierbei ist zu bemerken, daß die Relaiskontakte 272 nur bei den im geschlossenen Kreis arbeitenden Ausführungsformen der Erfindung
verwendet werden.
Fig.4 zeigt ein Detail der Schaltung für die Gasströmung.
Pig*5 ist ein Schaltschema der Siliciumgleichrichter-Steuerung.
Fig.6 zeigt das Impulszündsystem.
Fig.7 zeigt die Steuerschaltung in der Stromzufuhr des
Bogenstromgleichrichters für das System mit offenem Regelkreis,
"Fig.8 zeigt die Schaltung für den Meß- und Stromrückkopplungszweig.
Fig.9 zeigt die Verstärkerschaltung, die zur Steuerung des
Transistorverstärkers verwendet wird*
Fig.10 zeigt die Verstärkerschaltung, die zur Steuerung
des Relais 35 und des Uberstromsteuerrelais verwendet wird.
Fig.11 zeigt die Steuerschaltung in der laststromzufuhr
des Bogenstromgleichrichters für das System mit geschlossenem Regelkreis.
Fig.12 ist ein Blockschaltschema des automatischen Plasmasystems.
Fig.13 ist ein Blockschaltschema der Laststromversorgung
des Bogenstromgleichrichters.
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Fig.14 ist ein Schaltschema dea geschlossenen Regelkreises
zur Regulierurig der Bogenstrombedingungen in Abhängigkeit
von den Bedingungen in der Plasraapistole.
FIg.15 ist eine schematische Darstellung des Speichers,
der zur Dosierung des Sekundärgases zur Plasmaflammspritzanläge
dient.
Automatische gesteuerte Arbeitsweise eines automatischen Flammspritζverfahrens
Eine typische Plasmagasanalge ist in Fig.12 dargestellt.
Der Strom wird der Plasmaflammspritzpistole 1S von einem
Bogenstromgleichrichter 11 zugeführt. Ein Hochfrequenzgenerator 13 liefert die Hochspannung für die Lichtbogen-Zündung.
Eine Steuereinheit 15 und eine Gasregeleinheit 17 dienen zur Steuerung der Zeitpunkteinstellung und Durchflußmenge
des Plasmagases oder der -Plasmagase, der Zeitpunkteinstellung
und Dauer der Zündspannung und der Zeitpunkteinstellung und des Wertes des Plasmabogenstroms.
Fig.1 zeigt eine erwünschte oder optimale automatische
Start-Stop-Zeitfolge für die Punktion der verschiedenen
Parameter, die in der Plasmaflammspritzanlage angewendet werden. Beim Betrieb einer solchen Anlage, die in der
USA-Patentschrift 2 960 594 beschrieben wird, werden ein Kühlmedium, wenigstens ein Plasmagas und ein in der Düse
der Spritzpistole brennender Lichtbogen verwendet. Bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird das Kühlmedium, zweckmäßig Wasser, zum Zeitpunkt Hull eingeschaltet. Einige Zeit, zweckmäßig einige Minuten
später werden das elektrische System und die Gasströmung ausgelöst. Die Primärgasströmung, zweckmäßig Stickstoff
oder Argon, und die Gleichspannung durch die Stromkreise des elektrischen Systems werden eingeschaltet. Die Primärgasströmung
trägt dazu bei, den Lichtbogen über eine verhältnismäßig breite Fläche in der Düse zu verteilen, nachdem
der Lichtbogen gezündet hat. Die Zündung, cie den Lichtbogen bildet, wird zu einem Zeitpunkt von wenig-30S881/0748
stens 0,25, vorzugsweise 0,5 bis 2,00 Sekunden nach der
Einschaltung des Primärgasstromes durch die Spritzpistole "betätigt. Un eine Beschädigung der Elektroden zu vermeiden,
geschieht dies bei niedriger Stromeinstellung. Gleichzeitig damit werden bei Verwendung von Argon als
Primärgas die Sekundärgasströnjung und die Erhöhung des
Bogenstroms eingeschaltet bzw. ausgelöst, um den Lichtbogen
auf die volle Betriebsstromstärke zu bringen. Bei Verwendung von Stickstoff wird die Auslösung der Sekundärgasströmung
durch das Primärgas verzögert, bis die.Zündung abgestellt wird. Die Sekundärgasströmung steigert
erheblich die Spannung des Bogenstroms, und ohne Jede Kompensation in einer üblichen Stromversorgung würde dieser
Spannungsanstieg eine Herabsetzung des Stromes verursachen. Die Steigerung der Sekundärgasströmung und der
Anstieg des Bogenstroms werden so eingestellt, daß sie beide die endgültigen vorbestimmten, aufeinander abgestimmten
Werte innerhalb einer Zeit zwischen 0 und 20 Sekunden, vorzugsweise weniger als 15 Sekunden, insbesondere
gleichzeitig erreichen. Dies wird gemäß der Erfindung durch eine mit dem Sekundärgasregler zusammenwirkende
Zeitschaltvorrichtung und eine mit einem Bogenstromsteigerungsglied zusammenwirkende zweite Zeitschaltvorrichtung
erreicht. Die Zeitgeber werden so eingestellt, daß der endgültige Sekundärgasdurchfluß und der Bogenstromwert
innerhalb des gewünschten Zeitfensters erreicht werden. Die Zeitgeber und die Schaltungen sind in Fig.3
bis Fig.7 dargestellt. Mit zunehmender Sekundärgasströmung
wird der hierdurch verursachte Stromabfall proportional durch den Stromanstieg kompensiert, der automatisch durch
Verwendung eines Stromanstiegszeitgebers bewirkt wird. Ein besonders vorteilhafter Zeitgeber für diesen Zweck
ist ein Halbleiter-Proportionalregelkreis, der über einen gewissen Zeitraum allmählich mehr Strom durch sich selbst
and durch den Bogen fließen läßt. Nachdem die Sekundärgasströmung durch die Elektroden den vorbestimmten vollen
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Wert erreicht hat, hat der Bogenstrom seinen gewünschten
Endwert erreioht. Dieser endgültige Bogenstrom ist von
der Art des jeweils verwendeten Sekundärgases stark abhängig. Er kann einen "beliebigen Wert zwischen 100 und
1500 A haben, wobei der Wert vorzugsweise 250 bis 1000 A beträgt. Die endgültigen Bogenströme betragen im allgemeinen
wenigstens 350 A.
Der Sekundärgasdurchfluß hängt von der Art des Gases und
den zu erreichenden gewünschten Temperaturen des Pl*asnias
ab. Im allgemeinen ist das Sekundärgas in Mischung mit
dem Primärgas in einer Menge zwischen 1$ und 97 Vol.-$
der Gesamtmenge der Gase vorhanden. In der Praxis liegt die Sekundärgasmenge im allgemeinen zwischen 3$ und
45 Vol.-s£ der durch den Lichtbogen strömenden Plasmagase.
Die Zündung erfolgt bei einer Ausführungsform der Erfindung
unter Verwendung eines Impulsgebers, der die Zündung des Lichtbogens zwischen den Elektroden sicherstellt.
Diese Zündung erfolgt unter Verwendung eines Hochfrequenzgenerators, der beispielsweise zwischen 500 und 2000 kHz
bei etwa 5 bis 20 kV schwingt. Diese Kochfrequenz wird in Impulse von 10 bis 1000, vorzugsweise 100 bis 500 Millisekunden
weiter zerhackt. Die Impulsgabe erfolgt über einen Zeitraum von wenigstens 0,5 Sekunden, vorzugsweise
für eine Zeit zwischen 1 und 5 Sekunden. Es hat sich gezeigt,daß eine solche Impulsgabe sicherstellt, daß der
Lichtbogen zu einem Zeitpunkt gezündet wird, zu dem das Gas begonnen hat, über die Elektroden zu strömen. Ferner
gewährleistet sie die Bildung des Lichtbogens in einer solchen Weise, daß der durch den Lichtbogen fließende
Strom in Abhängigkeit von der steigenden Sekundärgasmenge erhöht werden kann.
Im allgemeinen ist die Anlage nach einer Zeit zwischen 2 und 20 Sekunden vom Beginn der Einschaltung der Gleichspannung
und der Strömung des Primärgases im vollen Betriebszustand. Das Sekundärgas wird nach dieser Zeit auf
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die"volle vorherbestimmte Durchflußmenge eingestellt. E3
ist zu bemerken, daß die Sekundärgasmenge allmählich gesteigert wird, während das Primärgas in den meisten Fällen
zunächst mit voller Menge durch die Düse geleitet werden kann,. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Primärgasströmung
keine besonderen Probleme schafft, was die Einengung oder Einschnürung des elektrischen Lichtbogens
angeht.
Die Anlage ist in einem solchen Zustand betriebsbereit. Ein Pulver, z.B. ein beliebiges bekanntes Flammspritzpulver
aus Metallen, Keramik oder Kunststoff, kann durch die Vorderseite der Düse zugeführt werden. Das Plasmagas
hat im erregten Energiezustand die gewünschte Temperatur erreicht, die genügt, um dieses Pulver so zu erhitzen,
daß es an einem verhältnismäßig kühlen Werkstück, das vor der Mündung der Düse angeordnet ist, mit ausgezeichneter
Festigkeit haftet.
Beim automatischen Betrieb der Plasmaflammspritzanlage ist es erwünscht, daß das Abstellen automatisch im allgemeinen
gemäß der in Fig.1 dargestellten Zeitfolge erfolgt. Gemäß-dem in Fig.1 dargestellten Diagramm.erfolgt die
Stillsetzung, indem zunächst die Sekundärgasströmung abgestellt und der Bogenstrom kompensierend erniedrigt wird.
In diesem Fall wird der Bogenstrom langsamer erniedrigt als "die Durchflußmenge des Sekundärgases. Die Zeitschaltvorrichtung
ist auf eine allmähliche Verringerung der Durchflußmenge des Sekundärgases so eingestellt, daß das
Sekundärgas innerhalb einer Zeit zwischen 0,5 und 15 Sekunden abgestellt wird. Die Verminderung des Bogenstroms
findet im allgemeinen in einer, Zeit zwischen 1 und 20 Sekunden nach Beginn der Stillsetzung statt. Gleichzeitig
mit der Erniedrigung des Bogenstroms auf Null werden die
Spannung und die Primärgasströmung automatisch abgestellt.
Die vorstehend beschriebene Zeitfolge i3t für eine Anlage
dargestellt, in der Argon als Primärgas verwendet wird.
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Natürlich kann die jeweilige Zeitfolge in Abhängigkeit von der Art äeß Priraärgases variiert werden. Wenn beispielsweise
Stickstoff als Priniärgas verwendet wird, beginnt der Anstieg des Bogenstroms ungefähr zur gleichen
Zeit wie der Beginn der Zündung. Die Sekundärgasströmung kann merklich nach dem Beginn der Verstärkung des Bogenstroms
beginnen. Im allgemeinen kann bei einer Anlage, in der Stickstoff als Primärgas verwendet wird, die Sekundärgasströmung
etwa 10 Sekunden nach Beginn der Erhöhung des Bogenstroms beginnen« Es ist jedoch zu bemerken, d&3
bei einer solchen Anlage der Beginn der Sekundärgasströmung
und das Abstellen der Zündung ineinandergreifen. Ein geeignetes System ist in Pig.2 dargestellt, in der die "
Zeitfolge für eine mit Stickstoff als Primärgas arbeitende Anlage dargestellt ist. Die Abgleichung der Anlage vom
Standpunkt der Zeitfolge erfolgt im. allgemeinen in der gleichen Weise wie bei einer mit Argon als Primärgas
arbeitenden Anlage·
In einer Plasmaflammspritzanlage wird der Bogenstrom durch
die in Pig.13 dargestellte Schaltung auf verschiedene .Werte eingestellt. Bei der Standard-Plasmaanlage kann die
Stromzuführung £um Haupttransformator 31 einphasig, zweiphasig oder dreiphasig sein. Im allgemein wird ein Trenn--Transformator
verwendet. Diese Spannung kann esweder die
gleiche bleiben wie die Leitungsspannung oder vor dem Eingang
in die sättigungsfähige Drosselspule 41 herauf- oder
heruntertransformiert werden. Diese sättigungsfähige
Drosselspule 41 steuert den Stromfluß zum Silicium- oder Selengleichrichter 35. Dies geschieht, indem eine Zusatzoder
Steuerwicklung auf den gleichen Eisenkern wie die Wechselstromwicklung gewickelt wird. Wenn ein Gleichstrom
durch diese Wicklung geleitet wird, wird .die vom Eingang zum Ausgang übertragene Wechselstrommenge verändert. Hierdurch
ergibt sich eine einfache Steuerung für den endgültigen Plasmabogenstroa. Mit anderen Worten, durch Ver-
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änderung des Stroms der Gleichstromwicklung der sättigungsfähigen
Drosselspule von etwa 0,5 auf 5 A kann der endgültige Plasraabogenstrom von etwa 50 auf 1000 A variiert
werden« Den Steuergleichstrcm liefert ein kleiner Einphasen-Steuerstromtransformator
37. Diese Wechselspannung wird bei 39 gleichgerichtet. Die Gleichspannung wird an
Potentiometer 158 eingestellt und ermöglicht eine glatte
Steuerung des endgültigen Bogenstroms der Plasmapistole. Die Regelung des endgültigen Bogenstroms gemäß der Erfindung
erfolgt automatisch, indem ein gesteuerter Siliziurr:-
Halbleitergleichrichter (SCR== semiconductor silicon control
rectifier) in den vorstehend beschriebenen Stromkreis zwischen das Potentiometer 158 und die Gleichstrom-Regelwicklung
in der sättigungsfähigen Drosselspule 41 geschaltet wird. Ein SRC ist ein Halbleitergerät, das den
durch das Gerät pulsierenden Strom wie ein Schalter zu regeln vermag und mit sehr hoher Geschwindigkeit arbeitet.
Der Halbleiterschalter wird durch eine Spannung an seinem Gate-Anschluß geschlossen und durch einen pulsierenden oder
alternierenden Strom geöffnet. Es können daher Teile eines 'Stromzyklus oder mehrere vollständige Stromzyklen durchgelassen
oder gesperrt werden, je nach Art des am Gate-Anschluß anstehenden Impulssignales. Die Steuerung des Zündwinkels
oder des Stroradurchlasses des SCR erfolgt durch Stromimpulse, die von einer mit izwei Transistoren bestückten Schaltung,
die in einem anderen Abschnitt beschrieben wird, und die an den Gate-Anschluß des SCR angeschlossen ist, erzeugt werden.
Gemäß Fig. 5 ist der "Ein-"Schalter 1 so geschaltet, daß in
seinem Schließzustand Strom durch Leitung 6 fließt. Aus Sicherheitsgründen ist am Schalter 1 ein Notschalter vorgesehen.
Der Strom fließt durch Leitung 6 in Leitung 10, in
die eine Lampe 8 zur Anzeige des Einsehaltzustandes eingeschaltet ist. Der Strom fließt ferner in Leitung 12, die
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eine schematisch angedeutete Pulverzuführung mit Stror« versorgt. Gleichzeitig fließt Strom durch Leitung 14 hindurch
durch einen Indikator 16 zur Anzeige des Zustandes "Wasser ab" und weiter zu einem Kühlwasser-Druckschalter
l8, der in seiner normalen Schließposition dargestellt ist. Gleichzeitig hiermit fließt Strom durch Leitung 20
hindurch zu der Relaisspule 22, die den Schalter l8 betätigt und schaltet die Lampe oder den Indikator l6 abWenn der Schalter l8 erregt ist, stellt er die Verbindung
mit Leitung 2k her und schaltet sämtliche Sicherheitsschalter für den Gasdruck (die durch unzulässig niedrigen oder
hohen Druck bzw. Durchflußrate aktiviert werden) in die Schaltung ein. Gleichzeitig mit diesem Vorgang fließt
Strom durch Leitung 26 und bereitet somit den "Einschalt-"
Stromkreis 28 vor. V/enn der Strom durch Leitung 6 fließt, fließt er ebenfalls in Leitung 50; wodurch die Relais-Hilfsspule
290 und die Stromversorgung für den Gleichrichter eingeschaltet wird. Ein Schalter des LUSungstnotors
schließt den Fliehkraftschalter j52, so daß die
Hauptschalterspule 3^ schließt, wenn der Strom von der
"Einschalt"-Leitung kommt. Die Hauptschalterspule schließt nur dann, wenn Strom durch den "Einschalt"-Stromkreis
fließt.
Von Leitung 6 fließt der Strom in Leitung 36, die die
Schaltung für einen Test oder eine Reinigung vorbereitet. Test- und Reinigungsbedingungen sind in dem System wünschenswert,
so daß die Gesamtschaltung sowohl an ein automatisches
System als auch an ein manuelles System angepaßt werden kann. Bei automatischem Betrieb werden die
Test- und Reinigungsbedingungen nicht verwendet.
Im "Einschalt"-Stromkreis ist ein Schalter 29 vorgesehen,
der im niedergedrückten Zustand einen Stromfluß von
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Leitung 6 über Leitung 26 in die Leitungen 4o und 42 bewirkt. Wenn der Strom durch Leitung 4o fließt, fließt
er daher auch durch Leitung 44, no daß die Hauptschalterspule 34 in der oben beschriebenen V/eise schließen
kann. In diesem Augenblick erfolgt die Einschaltung, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Der Strom fließt
ferner in Leitung 46 und durch einen Indikator 48 zur Anzeige des Einscha]tzustandes hindurch, wo der Betriebszustand
zur Anzeige gebracht wird. Der Strom von Leitung 40 fließt ferner in Leitung 50, die einen Relaisschalter
52 enthält. Gleichzeitig fließt der Strom durch Leitung 42 zur Relaisspule 66, er schließt den Relaisschalter
und ermöglicht einen Stromfluß über Leitung 54 zur Leitung
56 und von dort zu Leitung 6O. Hierdurch wird der Primärgasstrom eingeschaltet. Gemäß Fig. 4 betätigt der
Strom in Leitung 60 das Primärgas-Magnetventil 62, das der
Primärgasstrom öffnet und den vollen Gasstrom oder einen anderen festgelegten Gasstrom durch das System fließen
läßt. Der Stron kehrt über Leitung 64 zur Leitung 100 zurück. Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 erkennt man, daß
an dieser Stelle der Primärgasstrom und die Gleichspannung im gleichen Augenblick angelegt werden. Das System
ist nun einem Zustand, wo es für die Zündung zur Erzeugung
des Lichtbogens in dem Plasmarohr und für den Beginn der Sekundärgasströmung sowie den Anstieg des Licht-'bogenstromes
bereit ist.
Der Strom in Leitung 4l erregt die Spule 66 des Betriebsrelais,
die den Relaisschalter 52 in der beschriebenen Weise schließt. Ferner fließt Strom durch
Leitung 42, wenn der Einschaltkontakt 29 gedruckt ist.
Der Strom fließt weiter in Leitung 42 über den normalerweise geschlossenen Schalter 31 zur Spule ?2 des Transfer-Relais.
Die Spule wird erregt und bewirkt eine
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Schließung des Relaiskontaktes 74. Zusätzlich wird durch
Erregung der Spule 72 des Transferrelais der Kontakt l6
in Leitung 73 geschlossen. Wenn der Kontakt 76 geschlossen
ist, ist das System unabhängig von der Stellung des Schalters 29 eingeschaltet. Der Strom fließt durch Leitung
44 unabhängig von der Stellung des Einschaltkreises und erregt weiterhin die Relaisspule 34, die den in
Pig.15 dargestellten Hauptkontakt in der Stromzuführung
für den Bogenstromgleichriehter hält, wenn der Druck auf
Schalter 29 aufhört.
In Fig. 3 ist der Schalter 79 in Automatik-Stellung dargestellt. Wie schon erläutert, kann das System manuell
betrieben werden. In diesem Fall soll durch Leitung 8o kein Strom fließen. Wenn daher auf manuellen Betrieb
umgeschaltet wird, wird der Schalter 79 von der Automatik-Position in die in der Zeichnung mit M bezeichnete
manuelle Position umgelegt.
Eine Relaisspule 35 in der SCR-Steuerschaltung 210 nach
Fig. 5 schließt den Schalter 33 (Fig. 3), der die Versorgung
der Schaltung aufrechterhält, bis der Bogenstrom später während des Stillsetzens auf einen Wert
abgeklungen ist, bei dem der Gleichrichter und die Primärgasströmung stillgesetzt werden können. Der Strcra
fließt durch Leitung 84 hindurch über den Relaisschalter
33 und Leitung 80 zur Leitung 78 und dann zu Leitung
4o.
Der Strom fließt ferner über die Leitungen 42 und 86
zur Spule 88 eines Verzögerungsrelais, das den Relaiskontakt 96 nach etwa 1 Sekunde schließt. Der Strom zum
Kontakt 96 wird von dem nur schematisch dargestellten
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Gasströmungsschalter und Leitung 92 und 94 geliefert,
um sicherzustellen, daß das Primärgas vor und während
der Zündung strömt. Durch die Schließung des Relaiskontaktes 96 wird die Zündschaltung gestartet, und der Strom
fließt über die Leitungen 136 und 100 zurück. Die Schalter
96 schließen und leiten den Strom über den normalerweise
geschlossenen Relaiskontakt 98 zum Manuel1-Autoraatik-Umstellschalter
104, der in Automatik-Stellung gezeichnet ist. Der Strom fließt weiter über Leitung
106 und den in Fig. 6 dargestellten Relaiskontakt I08.
Danach fließt der Strom durch Leitung 110 und die Diode 112, durch den Widerstand Il4 und durch einen Kondensator
116, dem das Zündrelais II8 parallelgeschaltet ist.
Der Strom kehrt über Leitung 120 zur Leitung 122 zurück und fließt über Leitung 124 (Fig. 3) und Leitung 100 zur
Stromquelle zurück. Die Spule II8 betätigt impulsweise
die Kontakte I08 und 109· Diese Kontakte sind parallel
zueinander dargestellt und zerhacken den Strom in Impulse von 100 bis 500 Millisekunden. Der zerhackte Strom
fließt impulsformig durch die Leitung 132, wie in Fig. 5
dargestellt, die den Impulsstrom einem Hochfrequenzgenerator,
der generell mit dem Bezugszeichen 134 versehen
ist, zuführt. Der Strom kehrt von dem Hochfrequenzgenerator über Leitung 136 und Leitung 100 zur Stromquelle
zurück. Um den "Zündung-Ein"-Zustand zu kennzeichnen,
kann eine Anzeigeleuchte 138 vorgesehen sein, die von
dem Strom der in Fig. 6 dargestellten Schaltung durchflossen wird.
Wenn die Relaiskontakte 96 geschlossen sind, sind gleichzeitig
die Kontakte l4l in Fig. 5 infolge der Betätigung des Relais 88 geschlossen. Der Zweck dieser Maßnahme und
der in Fig, 5 dargestellten Schaltung besteht darin, den
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Beginn des Ansteigens des Lichtbogenstromes im Falle eines Argon-Primärgassystemes mit dem Beginn der Sekundärgasströmung
zusammenfallen zu lassen. Wenn in diesem System die Kontakte I2Jl geschlossen sind, wird als Folge
davon an die Leitung 142 eine Vorspannung bezogen auf die die Transistoren 144 und 146 enthaltende Schaltung, gelegt
Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, zu erreichen, daß das System den Strom bis hinauf zum festgelegten Endwert
des Lichtbogenstromes, d.h. bis zu einem Eereich von
150 bis 1000 A, steuert.
Die die beiden Transistoren enthaltende Schaltung in Fig. 5 ist eine typische Zündsteuerschaltung für gesteuerte
Halbleitergleichrichter. Die Schaltung für die Abschaltvorspannung-besteht aus dem Relaiskontakt l4l,
der Leitung 142 und dem Potentiometer 289 für die Absehaltvorspannung.
Wenn Kontakt l4l in der dargestellten Position ist, hält die Transistorschaltung den gesteuerten
Gleichrichter im Ruhezustand, bei dem der Sättigungswicklung für den Gleichrichter ein geringer Strom zugeführt
wird, um sie in Beid.tschaftsstellung zu halten.
Wenn der Einschaltknopf gedrückt wird, wird der Relaiskontakt l4l mit dem Potentiometer 288 verbunden. Dieses
Potentiometer legt die Einsehalt-Vorspannung an die 3asis
des Transistors 144. Der Kondensator l86, der von dem Relaiskontakt l84 umgeschaltet wird, sorgt für einen
langsamen Wechsel des Basisstromes des Transistors von der, Vorspannung der Abschaltposition zu derjenigen der
Einschaltposition, während des.Einschaltens und in gleicher Weise für eine langsame Umschaltung während des Abschaltens.
Bei der Wahl des V/ertes dieses Kondensators kann diejenige Zeit zugrundegelegt werden, In der der
endgültige Lichtbogenstrom erreicht werden soll. Ist die
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Kapazität des Kondensators beispielsweise zu 500 uF gewählt, so ergibt sich eine Länge der Einschaltphase
und der Abschaltphase von etwa 6 Sekunden. Der Kondensator ist nur während der Einschaltphase und der Abschaltphase
in der Schaltung wirksam. Der Strom für die Ein-Schaltvorspannung
fließt durch den Widerstand 251 und wird bei der Ausführungsform mit geschlossenem Regelkreis,
die im folgenden noch erläutert wird, durch den Rückkopplungsstrom modifiziert, der von dem parallelgeschalteten
Verstärker über die Leitungen 253 und 254,
die auch in Fig. 9 dargestellt sind, in dem Widerstand erzeugt wird. Die Leitungen 253 und 254 liegen ihrerseits quer zum Nebenschluß 250 in Fig. 8.
Wenn das Rückkopplungssignal kleiner ist als das vom
Potentiometer 288 abgegriffene Signal, das die Einschaltvorspannung für den Transistor liefert, so leitet der
Transistor stärker und schickt einen stärkeren Strom durch den Widerstand 151, so daß der für die Frequenz maßgebliche
Oszillator-Kondensator 143 schneller aufgeladen wird. Dies bewirkt, daß der Unijunction-Transistor l46
während einer Halbwelle der an den Leitungen 275 und
liegenden Versorgungsspannung früher leitend wird. In
diesem Augenblick erscheint an der Primärwicklung 147P des Impulstransformators ein Impuls. Dieser Impuls wird
auf die Sekundärwicklungen 147S1 und 147S2 gekoppelt,
die beide die steuerbaren Gleichrichter (SCR) 210 und 252 zünden. Da der Transistor 144 mehr oder weniger
Strom führt, zünden die gesteuerten Gleichrichter entweder früher oder später innerhalb einer Wellenperiode
und liefern daher mehr oder weniger Strom an die angeschlossenen Schaltungen. Der steuerbare Gleichrichter
152 steuert den Sättigungsstrom und damit den endgültigen
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Strom des Plasmabogens. Der steuerbare Gleichrichter
steuert die'stromrelaisspule 35 und synchronisiert deren
Ansprechen mit einem,Punkt während des Anstiegs des Stromes. In gleicher Weise öffnet die Relaisspule 35
den Schalter an einem festen Punkt in demjenigen Bereich des Zyklus, in dem der' Strom abfällt.
Fig. 7 zeigt eine von einem steuerbaren Siliziumgleichrichter (SCR) gesteuerte. Drossel. Die Stromzuführung für
den Bogenstrom-Gleichrichter ist in bekannter Weise aufgebaut und generell", mit 301 bezeichnet. Sie ist derart
ausgelegt, daß für jeweils 1 A des die Sättigungswicklung 15^ durchfließenden Stromes etwa 100 A Gleichstrom an
das Plasmarohr als Verbraucher geliefert werden. Die Schaltung 'ist so gewählt, daß der Sattigungsstrom in
diesem Gleichrichter durch die einstellbaren Widerstände
166 und 158 auf einen vorbestimmbaren Endwert einstellbar
ist. Zwischen die Sättigungswicklung 15^ und den
Stellwiderstand 158 für den Endv/ert des Bogenstromes
sind ein steuerbarer Gleichrichter. 152 und die Widerstände
l66 eingeschaltet. Der steuerbare Gleichrichter 152 ändert den Sättigungsstrom,der"in der Drossel 15^
durch die Bogensteuerung 158 eingestellt wurde, daß
der steuerbare Gleichrichter den Bogenstrom in der in Fig. 1 gezeigten Weise"abschnittsweise ansteigen oder abfallen
'läßt.
Fig. 7 zeigt einen Brückengleichrichter I56, der aus
einer Phase einer Drelphasennetzleitung mit ungefähr 55 V gespeist wird, um den Sättigungs-Steuerstrom zu
erzeugen. Diese 55 V bilden ferner die an den Leitungen 275 und 276 liegende Versorgungsspannung für die Schaltung
nach Fig. 5· Die positive Leitung vom Brückengleieh-
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richter l6o führt zum positiven Anschluß der Sättigungs-wicklung
154 in dem Gleichrichter, wie Fig. 7 zeigt. Die
Ausgangsleitung 162 der Sättigungswicklung ist an den Widerstand 166 angeschlossen, wodurch eine Feineinstellung
der Steuerung der Sättigungswicklung möglich ist. Der einstellbare Widerstand Ί58 dient zur Einstellung
der Endwertbegrenzung des Bogenstromes in dem Gleichrichter. Der Widerstand 166 ist mit- dem steuerbaren
Gleichrichter über die Speiseleitung 148 verbunden. Der Strom durch den steuerbaren Gleichrichter 152 wird durch
den einstellbaren Widerstand 158 gesteuert, an dem die
Einstellung des Bogenstromes erfolgt. Dies wird durch selektives Zünden des SCR ,152 erreicht.
Während des Startens steigt der Bogenstrom durch das stufenweise Voreilen des Zündwinkels des SCR 152 bis
zum vollen Leitzustand an. Der Bogenstrom fließt in die Sättigungswicklung 154 der Stromzuführung JOl. Die
Transistoren 144 und 146 (Fig. 5) steuern diesen Zündwinkel
des SCR 152. Wenn der Bogenstrom gemäß Fig. 1
einen größeren Winkel (jedoch noch nicht ganz den endgültigen Wert) erreicht hat, ist der Strom ebenfalls in
der Relaisspule 35 der Fig. 5 auf einen Wert angestiegen, bei dem die Kontakte 98 nach Fig. 3 schließen. Dieser
Stromanstieg erfolgt unter Steuerung durch den SCR 210, wie oben mit Bezug auf die Zwei-Transistor-Schaltung
und 146 beschrieben. Durch das Schließen der Kontakte wird die Zündschaltung geöffnet und Strom zur Relaisspule
59 geliefert. Diese Relaisspule 59 steuert den Kontakt l84 in Fig. 5* der den Langsanstart und die
Verzögerungsfunktion des Transistorverstärkers 144 und
3.46 über den Kondensator 186 ausschaltet. Dieser Relais-
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kontakt vervollständigt ferner die Kompensation der Versorgungijweohs el spannung der Stromzuführung für den
Bogenstrom-Gleichrienter.
Wenn als Primärgas Stickstoff verwendet wird, wird das Sekundärgas zu derselben Zeit zugeführt wie die Kontakte
98 schließen. Dies geschieht, um sicherzustellen, daß ein stabiler Bogen vorhanden ist, bevor das Sekundärgas
zugeführt wird. Wie in Fi.g. 1 für Argon als Primärgas dargestellt ist, beginnt das Sekundärgas zu
strömen, wenn der Boganstrom sich aufzubauen beginnt.
Der Argon-Stickstoffgehalt er 200 ist daher in der
Argon-Stellung gezeichnet. V.'enn der Schalter 200 in der Argon-Position ist, ist Leitung 202 die Versorgungsleitung,
die Spannung an den Schalter 200 und weiterhin in den Schalter 204 (den Umschalter für Manuell-Automatik)
legt. Hierdurch wird das Magnetventil 2θβ (Fig. 4) b&ätigt, welches die Sekundärgas strömung in das, Sekundärgas-Reservoir
freigibt. Von dem Magnetventil 206 führt Leitung 64 und anschließend Leitung 100 zur Wechselstrcmquelle.
Die Mittel, durch die die Sekundärgasströmung ihren beabsichtigten
Endwert erreicht, unterscheiden von denjenigen, durch die der Bcgenstrom seinen Endwert erreicht.
Bei einer schematisch in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird ein Akkumulator 351 verwandt.und
das Gas bei einer bestimmten vorgegebenen Rate in ein Reservoir (d.h. eine geschlossene Kammer) eingegeben,
während steigende Mengen des Gases dem Lichtbogen zugeführt werden, der innerhalb der Plasma-Flammspritzeinheit
aufrechterhalten wird. Das Reservoir 351 hat eine
kleinere öffnung am.Auslaßventil 353 als am Einlaßventil
355j was eine Strömung aus dem Reservoir heraus^ur Folge
hat. Durch Voreinstellung der Größe dieser öffnungen kann die zum Füllen
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erforderliche Zeit variiert werden. Bei der Erfindung Oeträgt
das Volumen des Reservoirs etwa 1^70 cnr (90 Kubikinches).
Um eine bezogen auf die Zeit mehr lineare Durchflußmenge des Sekundärgases zu erhalten, wird das Füllen des Reservoirs
durch zwei Magnetventile 206 und 357 für das Sekundär
gas gesteuert, wie in den Fig. h und 15 dargestellt
ist. Das engere Ma-gnetventil 2θ6 ist zuerst geöffnet.
Nach einer Verzögerung von etwa 1 Sekunde öffnet das Festkörperrelais das Magnetventil 357 für den vollen
Durchfluß. In dem noch zu beschreibenden geschlossenen Regelkreis befindet sich vorzugsweise nur das Magnetven- ■
til für den vollen Durchfluß des Sekundärgases. Wenn das Reservoir vollständig gefüllt ist, ist der vollständige
Gasstrom durch den Lichtbogen erreicht, der durch die Größe des Reservoirs und den Gasdruck zeitlich begrenzt
ist und der Aufrechterhaltung des gewünschten Endwertes für den Bogenstrom entspricht. Bei der Erfindung ist es
nicht absolut kritisch, ob der volle Sekundärgasstrom gleichzeitig mit dem Erreichen des endgültigen Bogenstromes
aufgebaut ist. Vorzugsweise sollten diese Werte ihre angestrebten Größen in einer gegenseitigen Zeitspanne
von O und 5 Sekunden erreichen.
Durch ein einziges Ventil wird ein exponentieller Anstieg des Zeit-Durchflusses und der Kurve des Sekundärgases
erreicht.
Wenn· ein anderer als exponentieller Durchfluß erwünscht ist, beispielsweise ein Durchfluß, der einer linearen
Kurve angenähert ist, können mehrere Ventile mit unterschiedlichen Einschnürungen von den Sekundärgasquellen
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eingesetzt werden. Ein erstes Ventil von einer ersten Sekundärgasd\ielle kann zunächst öffnen, worauf nach einem
Zeitintervall das zweite Ventil von der zweilten Sekundärgasquelle
geöffnet wird. Dieses zweite Ventil hat
eine vom ersten abweichende Einschnürung. Gas von den
beiden Ventilen mischt sich in Stro'mungsrlchtung vpr einem
Akkumulator, der so ausgebildet ist, daß er den endgültigen Anstieg des Durchflusses von Sekundärgas durch das
Rohr reguliert. Der Akkumulator funktioniert als Zeitglied, indem er ein graduelles Ansteigen des Sekuncärgasflusses
über eine vorbestimmte Zeitlang ermöglicht. Die Zeitspanne wird durch die Einschnürung des Akkumulators
selbst und des Gasflusses zu dem Akkumulator bestimmt.
An dieser Stelle erreicht der Sekundärgasfluß seinen
endgültigen Sollwert, vorzugsweise gleichzeitig mit der Erreichung des gewünschten Bogenstromwertes. Im wesentlichen
unmittelbar danach nimmt die Plasma-Gasmischung ihren gewünschten Temperaturwert an,und der Bogen viird
über eine breite Zone zur Düse des Piasma-Flammspritzgerätes
hin verteilt. Das Plasmarohr ist fertig zum Betrieb.
Zur Erläuterung des offenen Regelkreises sei auf Fig. und 7 Bezug genommen. Hier wird eine Korrektur für einen
Abfall der Drei-Phasen-Netzspannung im Gleichrichter vorgenommen.
Kormalerweise erzeugt ein derartiger Netzspannungsabfall einen Abfall im Plasma-Bogenstrom. Die Netzkornpensation
wird durchgeführt, indem die Drei-Phasen-Netzspannung des Gleichrichters durch einen Trenntransformator
170,.der Fig. 7 dargestellt ist, abgenommen wird.
Diese variierende Netzspannung wird über Leitungen 172,
(Fig. 5) dem Doppelwellengleichrichter 176 und dem
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Filterkondensator 178 zugeführt. Die Zenerdiode 180
eliminiert' den Konstantwert dieser Gleichspannung und liefert den veränderlichen Teil der Spannung an einen
einstellbaren Widerstand 182 und den Basiswiderstand 251 des Transistors 144, dessen Steuerstrom auf diese
Weise geändert wird und den·Zündwinkel des SCR 152 in
dem Sinne verändert, daß Ketzspannungsschwankungen durch den Bogenstrom korrigiert v/er den". ■
Die Arbeitsweise der Plasma-Spritzvorrichtung ist zu diesem Zeitpunkt einfach. Die Pulverzuführung enthält
das zu verspritzende Pulver. V/enn gespritzt werden soll, wird die in Fig. 3 dargestellte Spritz-Steuerscha]tung
erregt, normalerweise durch einen Schalter oder Trigger,
wobei das Pulver abgemessen und in einem Trägergas zum Düsenmundstück transportiert wird, v/o es in geheiztem
Zustand vorliegt und unter extremer Hitzeeinwirkung in Richtung auf das in der Nähe der Auslaßöffnung der
Düse angeordnete Werkstück getrieben wird.
Wenn die Einheit oder das Werkstück in dem gewünschten Maße bespritzt worden ist, beginnt die Abschaltung.' Anhand
der Fig. 1 und 2 erkennt man, daß die Abschaltung zweckmäßig dadurch erreicht wird, daß zunächst graduell
der Sekundärgasfluß eingeschränkt wird. Der Gleichstrom
nimmt .ebenfalls ab, was vorzugsweise gleichzeitig mit dem Abnehmen des Sekundärgasflusses beginnt. Zu dem Zeitpunkt
jedoch, zu dem der Bogenstrom sich dem Minimalwert nähert, ist es zweckmäßig, die Gleichspannung und
den Primärgasfluß abzustellen. Die eigentliche Abschaltung erfolgt durch Abstellen der Spritzsteuerung, die
die Zuführung des Spritzpulvers und des Trägergasstromes beendet.Danach wird der Abschalter 31 niedergedrückt,
d.h. geöffnet, wodurch die Zufuhr von Sekundär-
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gas beendet wird. Da der Sekundärgasfluß nun abnimmt,
entleert sich der Akkumulator oder das Reservoir bis zu einem endgültigen Sekundärfluß von Null. Dies spielt
sich in einer Zeitspanne ab, die der in Fig. 1 dargestellten Folge entspricht. Zu dieser Zeit beginnt der
Gleichspannungsbogenstroir. graduell abzufallen, wobei die Relais 88, 72 und 59 aberregt und die Kontakte
l4l, 96, 74, 76 und 184 geöffnet sind. Hierdurch
wird der Zeit-Kcndensator 186 und das bei ^l in Fig.
dargestellte Vorspannurg snetzwerk für die Abschaltung angeschaltet. Dadurch sinkt selbsttätig der Bogenstrom
graduell über eine Zeitspanne, die von den Transistor ren Ihh und \K6 und dem Transformator 1^7 gesteuert wird.
Dar SCR 152 wird hierdurch,wie in den Fig. 5 und 7 dargestellt,
gesteuert. Gleichzeitig beginnt der SCR 210 den S"rom durch die Relaisspule 55 zu verringern, weil
dieser Halbleiter über die Transistoren 144 und 146
durch den Transformator 147 gesteuert wird. .Y/enn der
Bogenstrom auf eine Höhe von etwa 50 bis 200 A reduziert
ist, die in erster Linie von dem Primärgas abhängt, wird die Spule 35 in Fig. 5 durch Absinken des
Stromes durch den SCR 210 aberregt. Der mit 33 bezeichnete Relaiskontakt der Spule 35 öffnet. Hierdurch wird
wiederum die Stromzufuhr für den Gleichrichter an der Relaisspule 34 unterbrochen und Relaiskontakt 52 (Fig.3)
geöffnet, wodurch der PrimärgasfluS abgeschaltet wird. Wird als Primärgas Stickstoff verwandt, so wird der
Flammenbogen normalerweise gelöscht, bevor die Gleichrichterstromversorgung unterbrochen wird, weil dieses
Gas die Ionisation bei sehr niedrigen Bogenströmer. nicht
aufrechterhalten kann.
In einem geschlossenen Regelkreis ist die Schaltung nach
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Fig. l4 ähnlich derjenigen der Fig. 5, mit der Ausnahme,
daß das RUckkopplungssignal von einem Signal geliefert wird, das von den Hochleistungsicabeln für die Stromversorgung
des Plasma-Flammenrohres abgeleitet wird. Dieses Signal kann von einem an den 3oger.strom angeschlossenen
Nebenschluß 250 erzeugt werden, der in der in Fig. 8 gezeigten
Weise an diese Leitungen angeschlossen ist. An den Nebenschluß sind die Leitungen 257 und 259 angeschlossen,
und das entsprechende Signal wird, wie Fig. 9' zeigt, in den Transistorkreisen 260 und 26l verstärkt. Das verstärkte
Signal gdangt über die Leitungen 255 und 254 zum
Widerstand 251 (Fig. 5) und damit in den Zündstromkreis für den steuerbaren Gleichrichter. Das Signal im V/iderstand
251 ändert die Steuerspannungen an den Transistoren
144 und 146 und ändert dadurch den Zündwinkel des SCH
152, um den Strom in der Sättigungswicklung der Stromzuführung
für den Bogenstromgleichrichter zu erhöhen oder herabzusetzen.
Alternativ kann dieses Rückkopplungssignal von den Hochleistungskabeln
der Plasma-Spritzpistotte unter Ausnutzung des Halleffektes abgeleitet werden, indem eine Vorrichtung
vorgesehen wird, die auf das in Kabelnähe existierende Magnetfeld reagiert. Das Hallelement wird in einer
Haltevorrichtung montiert, die an einem der Spritzpistolenkabel befestigt wird. Hallelemente können aus
verschiedenen Materialien hergestellt werden, und sind im Handel erhältlich. Das Ausgangssignal des Hallelementes
wird der Schaltung in Fig. 8 in gleicher Weise zugeführt wie das Signal des dort eingezeichneten Nebenschlusses.
Für den gleichen Zweck können auch elektrooptische Geräte, wie ein Raysostor oder.ein Photon-Coupler
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eingesetzt werden. Diese Geräte benutzen das Rückkopp-
lungssignal des Nebenschlusses durch einen Verstärker,
um eine Lichtquelle zu variieren. Dies wird von einer Fotozelle oder einem Fototransistor Überwacht, wodurch
die Vorspannung an den Transistoren 144 und 146 geändert wird.
In diesem geschlossenen Regelsystem wird die Relaisspule 35 von einem zweiten Verstärker 262 und 263 gemäß "Fig.
gesteuert, der die Schaltung des steuerbaren Halbleitergleichrichters 210 nach Fig. 5 ersetzt.
Der Eingang dieses Verstärkers ist ebenfalls mit dem Nebenschluß 250 der Fig. 8 verbunden. Wenn der 3ogenstrom
auf 200 bis 4θΟ A angewachsen ist, wird die Relaisspule 35 durch den Kontakt 33 erregt und hält die Stromzuführung
für den Eogengleichrichter so lange eingeschaltet, bis der Bogenstrom bei der Abschaltung auf einen
Wert abgesunken ist, bei dem der Gleichrichter und der Primärgasfluß abgestellt werden können. Die Relaisspule
35 schaltet ferner den Zündkreis ab und steuert bei Stickstoffbetrieb den Sekundärgasfluß wie bei offenem
Regelkreis. In diesem Verstärker ist ferner ein einstellbarer Widerstand 28o und eine Relaisspule 270 vorhanden.
Diese Relaisspule bildet einen überstromschutz: in dem Fall, daß der Bogenstrom das zulässige Maß überschreitet,
schaltet die Relaisspule, die über den Widerstand 28o einstellbar ist, den Gasfluß und den Bogenstrom über die
Relaiskontakte 272 in Fig. 3 für den geschlossenen Regelkreis
ab.
Wenn der geschlossene Regelkreis verwendet wird, wird
der Zweitransistorverstärker 144 und 146 der Fig. 14
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von dem Transformator 278 und der Gleichrichterbrlicke
285 der Pig' Il versorgt. Bei geschlossenem Regelkreis
ist die Bogenstromsteuerung 158 in Fig. 11 auf Maximalposition
gestellt, und der Widerstand 288 in Fig. 14 wirkt zur Bogenstromsteuerung für die Einstellung des Plasma-Bogenstrornes.
Die in den Fig. 9 und 10 dargestellten Verstärker und die Steuerschaltungen nach Fig. 14 für
die gesteuerten Gleichrichter können entweder aus diskreten Bauteilen aufgebaut sein;wie in den Zeichnungen
dargestellt,oder als integrierte Schaltkreise.
Ferner kann eine Vorrichtung zur Einstellung der Plasma-Gasströmungsmense
in Abhängigkeit von einem Steuersignal vorgesehen sein. Das Ventil enthält ein Standard-Magnetsteuerteil
mit einer Kolben- und Abdichteinheit, die ein sehr geringes Gewicht hat und normalerweise weniger als
30 g wiegt. Dies führt zu einer Reaktionszeit von weniger
als einer Millisekunde. Die Spule des Magnetventil es ist eine Gleichstromspule. In der Praxis wird diese Spule in
Reihe mit einem steuerbaren Siliziumhalbleitergleichrichter geschaltet. Der Durchlaßzustand des SCR wird durch
ein Rückkopplungssignal derart gesteuert, daß das Gas-Magnetventil
als Funktion des gleichgerichteten Anteils der Wellenform geöffnet cder geschlossen wird, der von
dem SCR geliefert wird. Das RUckkopplungssignal erhält
man beispielsweise in der Form, wie es für die geschlossenen Regelkreise beschrieben wurde. Wenn der Strom in dem
Plasma-Bogen und demnach im Rückkopplungskreis aussteigt,
verursacht der steuerbare Halbleitergleichrichter einen höheren Gasfluß durch das Ventil und kompensiert dadurch
das Anwachsen oder Absinken des Stromes.
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